لایه نازک و وسایل مورد استفاده (1)

لایه نازک بوسیله ی رسوب دهی اتم به اتم بر روی زیرلایه ی منفرد، ایجاد می شود. یک لایه ی نازک به عنوان یک ماده ی دو بعدی تعریف می شود که بوسیله ی چگالش اتم به اتم و قرارگیری این اتم ها بر روی زیرلایه، ایجاد می شود. ضخامت لایه ها به طور نمونه وار، کمتر از چند میکرون می باشد. این لایه ها می تواند در ضخامت های مختلف تشکیل شوند. یک لایه ی نازک، در واقع به عنوان یک ماده ی دو بعدی تعریف می شود که با نازک شدن یک ماده در یک بعد و یا قرارگیری خوشه ها و یا دانه های اتمی و یا گونه های یونی، تشکیل می شود.
از لحاظ تاریخی، لایه ی نازک بیش از نیم قرن است که در تولید ادوات الکترونیک، پوشش های نوری، پوشش های سخت مربوط به ابزارهای برش و قطعات دکوراسیونی، مورد استفاده قرار می گیرد. لایه ی نازک تکنولوژی است که به صورت سنتی و به خوبی، توسعه یافته است. به هر حال، تکنولوژی لایه ی نازک هنوز هم در حال توسعه است زیرا این تکنولوژی یکی از تکنولوژی های کلیدی در قرن بیست و یک می باشد که موجب توسعه ی مواد جدید در مقیاس میکروسکوپی و نانومتری می شود.
وسایل و مواد لایه نازک همچنین برای به حداقل رساندن مواد سمی مورد استفاده قرار می گیرند زیرا مقادیر مورد استفاده از آنها تنها به سطح محدود می باشد و اندک است. فرآیند تولید این فیلم ها نیز موجب صرفه جویی در مصرف انرژی می شود و مسائل زیست محیطی آن نیز اندک است. از این رو، این تکنولوژی در قرن بیست و یکم، توجه زیادی را به خود اختصاص داده است.
مواد مورد استفاده در تولید لایه ی نازک
لایه های نازک با استفاده از روش تبخیر گرمایی، تجزیه ی شیمیایی و یا تبخیر یک ماده ی منبع، بر روی یک زیرلایه، رسوب دهی می شوند. این تبخیر بوسیله ی تابش گونه ها یا فوتون های با انرژی بالا، انجام می شود. رشد لایه ی نازک دارای ویژگی های زیر است:
1. شروع ایجاد لایه ی نازک از تمام مواد و از هر روش موجود، با جوانه زنی تصادفی و ادامه ی مراحل جوانه زنی و رشد، همراه است.
2. مراحل جوانه زنی و رشد به شرایط رسوب دهی مانند دمای رسوب دهی، نرخ رشد و شیمی زیرلایه، وابسته است.
3. مرحله ی جوانه زنی می تواند به طور قابل توجهی با استفاده از عوامل خارجی مانند بمباران الکترونی و یونی، بهبود یابد.
4. ریزساختار لایه به ساختار عیوب ها وابسته است و همچنین تنش های موجود در ساختار نیز به شرایط رسوب دهی در مرحله ی جوانه زنی، وابسته است.
5. فاز کریستالی و جهت گیری لایه ها، به شرایط رسوب دهی، وابسته اند.
خواص اصلی مربوط به پوشش ها مانند ترکیب شیمیایی، فاز کریستالی و جهت گیری، ضخامت لایه و ریزساختار، بوسیله ی شرایط رسوب دهی، کنترل می شود. این فیلم ها، دارای خواص منحصربفردی هستند که در مواد بالک، مشاهده نمی شود. این خواص عبارتند از:
1. خواص منحصربفردی که بواسطه ی فرایند رشد ایجاد می شود.
2. اثر اندازه مانند اثرات اندازه ی کوانتمی، ویژگی های مرتبط با ضخامت، جهت گیری کریستالی و جنبه های مربوط به ساختارهای چند لایه.
خواص مربوط به لایه های نازک، به روش پوشش دهی وابسته است. در واقع فرایند رسوب دهی که در آن، از تجزیه ی مواد استفاده می شود، فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD) نامیده می شود. رسوب دهی با کمک تابش گونه های پر انرژی نیز کندوپاش یا اسپاترینگ (sputtering) نامیده می شود. فرایند کندوپاش 150 سال پیش و برای اولین بار بوسیله ی Bunsen و Grove در یک تیوب خلأ انجام شده است. در این حالت، الکترود کاتدی به دلیل تخلیه ی بار الکتریکی، از هم می پاشد. از آن زمان به بعد، سطح اصلی یادگیری مربوط به فرایند کندوپاش، به طور مناسبی توسعه پیدا کرده است. این فهمیده شده است که از هم پاشیده شدن کاتد به دلیل تابش یون های با انرژی بالا به سطح کاتد، ایجاد می شود. انرژی این یون ها، می تواند در گستره ی 1 تا 10 الکترون ولت باشد. این انرژی نسبت به انرژی مربوط به تبخیر گرمایی و تجزیه ی شیمیایی، بالاتر است. فرایند کندوپاش، می تواند برای پوشش دهی انواع مختلفی از مواد استفاده شود، بدون آنکه ماده ی پوششی، حرارت داده شود.
امروزه کندوپاش یک فرایند تولید متداول برای بسیاری از صنایع محسوب می شود. اولین و متداول ترین این صنایع، صنعت نیمه رسانا می باشد که در آن، تکنولوژی کندوپاش برای ایجاد سطحی فلزی مورد استفاده قرار می گیرد. این سطح فلزی در مدارهای مجتمع کاربرد دارد. تکنولوژی ساخت مدارهای مجتمع سیلیکونی، با استفاده از سیستم های رسوب دهی کندوپاش اتوماتیک، میسر است.
رسوب دهی کندوپاشی همچنین در بسیاری از بخش های دیگر نیز مورد استفاده قرار می گیرد. مثلا رسوب دهی کندوپاشی برای پوشش دهی پنجره های شبه آیینه ای و لایه های منعکس کننده ی مورد استفاده در ساختمان های بلند، مورد استفاده قرار می گیرد. برای تولید پنجره های شیشه ای با خاصیت انعکاس نور، یک سیستم کندوپاش خاص در دهه ی 1990 توسعه یافته است. فرایند رسوب دهی کندوپاشی برای تولید یک چنین محصولاتی، بازده پایینی دارد و از این رو، یک طراحی بهینه برای کندوپاش، ضروری می باشد.
مواد بالک معمولاً از حالت پودر زینتر می شوند. اندازه ی ذرات این پودرها، معمولا در حد یک میکرون می باشد. لایه های نازک از اتم ها و یا خوشه های اتمی تشکیل می شوند. رسوب دهی کندوپاشی، یک فرایند ممتاز در مقایسه با سایر فرایندهای رسوب دهی، محسوب می شود. در واقع در این فرایند محصولات حاصل از کندوپاش، بر روی زیرلایه قرار می گیرند. لایه های تولید شده با استفاده از فرایندهای دیگر، مانند فرایند تبخیر گرمایی و CVD، تحت شرایط ترمودینامیکی پایدار ایجاد می شوند. در فرایند کندوپاش، گونه های کندوپاش شده ی پر انرژی، بر روی سطح زیرلایه، سرد می شوند. این فرایند سرد کردن ترمودینامیکی، اجازه ی تشکیل لایه های با کیفیت بالا را فراهم می آورد. این ذرات بسیار ریز، در حین رشد فیلم، بر روی زیرلایه قرار می گیرند و حالت غیر تعادلی می تواند منجر به تشکیل مواد عجیب و قریب شود. یک سری فازهای کریستالی غیر متداول، می توانند در پوشش های تولیدی با این روش، تشکیل شوند. ذرات پر انرژی کندوپاش شده، موجب می شوند تا دمای سنتز مواد، افت کند. یک مثال نمونه وار از این مورد، رشد الماس در دمای محیط می باشد.
الماس های بالک، به صورت سنتی در دماهای بالا (2000 درجه ی سانتیگراد) و فشار بالا (حدود 50000 psi) تولید می شوند. رسوب دهی المان ها از یون های کربن پر انرژی (با انرژی بین 10 تا 100 الکترون ولت)، موجب می شود تا رشد کریستال های الماسی مکعبی و یا لایه های الماسی در دمای اتاق، مقدور شود. این کار با استفاده از فرایند کندوپاش، انجام می شود. یک الماس هگزاگونال نیز با کندوپاش، تولید می شود. الماس طبیعی که بر روی زمین یافت می شود، یک الماس مکعبی است که در واقع فاز پایدار الماس است. فاز هگزاگونال تحت شرایط ترمودینامیکی پایدار، تولید نمی شود، بلکه این ماده تحت شرایط غیر تعادلی، تشکیل می شود.
ابررساناهای دما بالای پروسکایتی تولید شده به صورت لایه، که بوسیله ی Bednorz و Müller کشف شده است، دارای دمای انتقال به حالت به حالت ابر رسانایی، متفاوتی است که به دلیل وجود لایه های اکسید مس، ایجاد می شود. فرایند زینترینگ سرامیک های بالک تک فازی، سخت است. به هر حال، کنترل فازی مربوط به ابررساناهای دما بالا، با ایجاد لایه های متناوب از مواد مختلف، قابل انجام می باشد. این کار با استفاده از روش کندوپاش، انجام می شود.
ساختارهای دو بعدی تولید شده از طریق کندوپاش که بر روی زیرلایه ها تشکیل می شوند، موجب می شوند تا خواص ماده اصلاح شود. این منطقی است که این تصور وجود داشته باشد که خواص لایه های نازک ممکن است نسبت به خواص ماده در حالت بالک، متفاوت باشد. برای مثال، لایه های نازم ممکن است دارای تنش داخلی قابل توجهی باشند و میزان عیوب آنها نیز ممکن متفاوت باشد. استحکام بدست آمده در لایه های نازک ممکن است دویست برابر استحکام مربوط به مواد بالک باشد. تنش ایجاد شده به دلیل عدم تطابق در پارامتر شبکه و ضریب انبساط حرارتی میان لایه و زیرلایه می باشد. تنش فشاری موجب افزایش دمای کوری مربوط به لایه های نازک فروالکتریکی می شود که دارای ساختار پروسکایت هستند. ابر شبکه های تشکیل شده از لایه های نازک فروالکتریکی، دارای عبوردهی بالایی هستند و موجب ایجاد یک اثر شبه پیروالکتریکی در آنها می شود. این تنش بر روی دمای بحرانی ابر رسانایی اثر قابل توجهی دارد. تنش کششی با افزایش دمای بحرانی مربوط به فیلم های ابر رسانای فلزی، افزایش می یابد. تنش فشاری نیز با افزایش دمای بحرانی، افزایش می یابد.
فرایند تولید لایه نازک همچنین برای تولید مواد نانومتری، مهم می باشد. نانومواد، موادی هستند که حداقل، یک بعد از آنها، زیر 100 نانومتر باشد. نانومواد به سه نوع، طبقه بندی می شوند:
1. مواد صفر بعدی: تمام ابعاد این مواد در اندازه ی نانومتری هستند (مانند کوانتوم دات ها)
2. نانومواد یک بعدی: این مواد دارای دو بعد در اندازه ی نانومتری هستند (مانند سیم های کوانتمی)
3. نانومواد دو بعدی: این مواد دارای یک بعد در اندازه ی نانومتری هستند (مانند لایه های نازک و ابر شبکه ها).
البته ابعاد پدیدارشناختی مربوط به مواد نانومتری، به اندازه ی نسبی پارامترهای فیزیکی مانند رژیم محبوس شدن کوانتمی (کمتر از 100 اتم)، طول پویش آزاد میانگین مربوط به الکترون های رسانش (کمتر از 10 نانومتر)، قطر تهییج بوهر (این قطر برای مواد مختلف متفاوت می باشد مثلا برای سیلیکون، 8.5 نانومتر، برای گالیم آرسناید: 196 نانومتر و برای کادمیم سلنید برابر 6 نانومتر می باشد) و طول موج دوبروی (کمتر از 1 نانومتر)، وابسته می باشد.
سه نوع از مواد نانومتری، به طور موفقیت آمیز و با استفاده از فرایندهای لایه نازک (مانند فرایند هم رسوبی، فرایند رسوب دهی لایه به لایه در مقیاس اتمی و نانولیتوگرافی با کمک کندوپاش، تولید شده اند.
پیشرفت های کنونی در زمینه ی تحقیقات لایه نازک، بیشتر مدیون تکنولوژی مشاهده ی اتمی یعنی میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) است که لوسیله ی Binnig و Rohrer توسعه یافته است.
شکل 1 تصاویر مربوط به برخی از مواد لایه نازک را نشان می دهد. جدول 1 برخی از پدیده های جالب مورد انتظار برای لایه های نازک را نشان می دهد.
جدول 1. پدیده های جالب مورد انتظار در مواد لایه نازک

اثر اندازه:

افزایش در مقاومت در فلزات

کاهش TCR در فلزات

موبیلیته ی کاهش یافته

اثر پوسته ای غیر عادی در فرکانش های بالا و در فلزات

کاهش رسانایی گرمایی در فلزات

افزایش توان ترموالکتریکی در فلزات

کاهش موبیلیته در نیمه رساناها

اثر اندازه ی کوانتمی در نیمه رساناها و شبه فلزات در طول های کمتر از طول موج دوبروی: تغییر نوسانی وابسته به ضخامت در میزان مقاومت، ضریب هال، موبیلیته ی هال و مقاومت مغناطیسی. اثرات سطح گالوانومغناطیسی بر روی اثر هال و مقاومت مغناطیسی به دلیل تفرق سطحی

اثرات میدانی:

تغییر در رسانایی سطح نیمه رسانا با استفاده از میدان الکتریکی در ترانزیستورهای TFT

SCLC در عایق ها

اثرات تونل زنی:

ایجاد جریان تونل زنی از میان لایه های نازک عایق که در مقاومت های منفی با کنترل ولتاژی و در دیودهای تونل زنی، استفاده دارند.

انتشار تونلی از فلزات و تریودهای الکترونی گرم بر پایه ی ترانزیستور فلزی

الکترولومینسانس، انتشار فوتونی الکترون ها

اسپکتروسکوپی تونلی

اثرات مقاومت مغناطیسی تونلی وابسته به چرخش (TMR )

جریان تونل زنی میان ساختارهای جزیره ای در لایه های بسیار نازک

فروالکتریسیته:

افزایش دمای کوری با افزایش تنش در فیلم

وابستگی به ضخامت ثابت دی الکتریک

اثر اندازه ی کریستالیت

گذردهی بالا

پمپ جریان و وجود اثرات شبه پیروالکتریکی

ابر رسانایی:

افزایش میزان ابررسانایی

اثرات تنشی: افزایش تنش کششی کاهش تنش فشاری در فلزات کاهش تنش فشاری در جهت محور c با افزایش دمای کوری افزایش تنش فشاری در جهت های a و b با افزایش دمای کوری

اثرات مجاورت در لایه های متناوب کاهش دمای کوری در فلزات که به دلیل تماس با فلزات معمولی ایجاد می شود.

کاهش دمای انتقال

افزایش در میدان مغناطیسی بحرانی

کاهش در جریان بحرانی

ایجاد اثر تونل زنی ابر جریانی در میان موانع نازک، اتصال جوزفسون و اسپکتروسکوپی تونلی

مغناطیس:

افزایش در آنیزوتروپی مغناطیسی مواد آنیزوتروپی، می توانند آنیزوتروپی شکلی، آنیزوتروپی مغناطیس- کریستالی، آنیزوتروپی تنشی- مگنتواستاتیکی و یا آنیزوتروپی غیر محوری داشته باشند.

افزایش در مغناطیس پذیری و نفوذپذیری مغناطیسی در ساختارهای آمورف و یا ساختارهای لایه ای

اثر مقاومت مغناطیسی قابل توجه (GMR ) در چند لایه ای ها

چند لایه ای های GMR بر روی زیرلایه های با شیار v شکل

مزدوج شدن تبادلی در سطح مشترک میان لایه های فرومغناطیس ها(FM ) و غیر فرومغناطیس (AF )

استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Thin Film Materials Technology /Kiyotaka Wasa