مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
وسایلی که در آنها از لایه نازک استفاده می شود
از اواخر دهه ی 1950، لایه های نازک به طور گسترده در تولید وسایل الکترونیکی، کاربرد یافت. در اوایل دهه ی 1960، Weimer یک ترانزیستور بر پایه ی لایه ی نازک (TFTs) را پیشنهاد کرد که از لایه های نازک CdS تشکیل می شد. او موفق شد تا یک بخش رمزگشایی ترانزیستوری از جنس لایه نازک ایجاد کند که از دو ترانزیستور 16 مرحله ای مشتق می شدند. این ترانزیستور در روبش گر تلویزیون، رساناهای فوتونی مربوطه، خازن ها و مقاومت ها، کاربرد دارد. اگر چه این وسایل حاوی لایه ی نازک، بهترین مدل از توسعه ی صنعت لایه ی نازک می باشند، پایداری ضعیف TFT ها موجب شده است تا مانعی بر سر راه استفاده ی عملی از آنها، ایجاد شود. وسایل MOS بر پایه ی سیلیکون (نیمه رساناهای اکسید فلزی) به طور موفقیت آمیز در انتهای دهه ی 1960، توسعه یافتند. بنابراین، وسایل حاوی لایه ی نازک برای استفاده های عملی، به وسایل پسیوی همچون مقاومت ها و خازن ها، محدود بودند.
در دهه ی 1970، چند وسیله ی جدید با استفاده از لایه نازک، پیشنهاد شد. این وسایل شامل وسایل موج اکوسیکی سطحی (SAW)، وسایل موج اکوستیکی بالک (BAW) و وسایل اپتیکی مجتمع بودند که در آنها از لایه نازک استفاده شده بود. یک گستره ی وسیع از وسایل تولیدی از لایه ی نازک بدین وسیله، توسعه یافت. از بین آنها، یکی از جالب ترین تکنولوژی ها، تکنولوژی سیلیکون آمورف بود که به صورت لایه ی نازک و بوسیله ی فرایند CVD ایجاد می شد. این تکنولوژی موجب می شد تا یک فرایند دوپ شوندگی در دمای پایین انجام شود و ناخالصی های مورد نظر، در سیلیکون ایجاد شود. این سیلیکون در سلول های خورشیدی و TFT ها کاربرد دارد. در دهه ی 1980، پیشرفت سریعی در تکنولوژی سیلیکون آمورف، ایجاد شد. سلول های خورشیدی تولید شده از سیلیکون آمورف، برای ماشین حساب های الکتریکی مورد استفاده قرار گرفت، اگر چه بازده تبدیل انرژی آنها تنها 5 تا 7% بود و این میزان از بازده مربوط به سلول های خورشیدی حاوی سیلیکون کریستالی، پایین تر بود. در میانه ی دهه ی 1980، استفاده از یک نوع سیلیکون آمورف با کیفیت بالا، منجر به تولید تلویزیون های کریستال مایع شد. در این تکنولوژی از TFT های بر پایه ی سیلیکون آمورف، استفاده شده است. به دلیل بهبود ایجاد شده در لایه ی نازک تولیدی از سیلیکون آمورف، بازده تبدیل انرژی در این نوع از سلول های خورشیدی، به 21 تا 23 % رسید. این بازده در گستره ی بازده سلول های خورشیدی بر پایه ی سیلیکون کریستالی بود. استفاده از تکنولوژی لایه ی نازک برای تولید سلول های خورشیدی بر پایه ی سیلیکون آمورف با بازده بالا، می تواند یک کلید برای تولید انرژی پاک باشد زیرا یک سلول خروشیدی بر پایه ی سیلیکون آمورف، بسیار کمتر از یک سلول خورشیدی سیلیکونی بالک و کریستالی، انرژی مصرف می کند.
سایر وسایل جالبی که در انها از لایه ی نازک، استفاده می شود، وسایل SAW حاوی لایه ی نازک ZnO و وسایل BAW حاوی لایه ی نازک می باشند که برای تلویزیون های رنگی، تلفن های بی سیم و سیستم های ارتباطاتی، استفاده می شوند. ZnO به عنوان یک ماده ی پیزوالکتریک شناخته می شود که برای ساخت مبدل های صوتی، استفاده می شود. فرایند کندوپاش، به طور موفقیت آمیز برای تولید لایه های نازک از جنس ZnO استفاده می شود. وسایل SAW و BAW به عنوان نوسانگرهای حالت جامد عمل کرده و می توانند باندهای MHz را به GHz تبدیل کنند.
لایه های نازک سیلیکون کاربیدی (SiC) که در واقع سنسورهای دما بالا می باشند، یکی دیگر از انواع محصولات بر پایه ی لایه ی نازک می باشند که در دهه ی 1980 تولید شده اند. سنسورهای دمایی با استفاده از تک کریستال های بالک SiC تولید می شوند. این سنسورها در ماهواره ها کاربرد دارند که علت استفاده از آنها در این وسایل، مقاومت تابشی بسیار بالای این ماده می باشد. به هر حال، سختی تولید ادوات دقیق موجب شده است تا مانعی در سر راه تجاری سازی این محصول، ایجاد شود. تکنولوژی کندوپاشی قادر است تا مواد SiC دما بالا را در دمای پایین تولید کنند و بدین صورت بتوان بر مشکل ساخت سنسورهای SiC فایق آییم. این وسایل تولید شده از SiC، امروزه، به صورت مدارهای مجتمع نیمه رسانایی ساخته شده است که در برابر تابش مقاوم می باشند و توان بالایی نیز دارند. ساختارهای چند لایه ی دارای ابعاد نانومتری، می تواند برای ساخت وسایل SiC MOS مورد استفاده قرار گیرد. این وسایل، دارای پتانسیل خوبی برای صرفه جویی در مصرف انرژی می باشند.
فرایند کندوپاش می تواند برای ساخت گاف های مغناطیسی باریک مورد استفاده قرار گیرد. این گاف ها در سیستم های ثبت ویدئویی و در دیسک های کامپیوتری کاربرد دارد. در تولید گاف های مغناطیسی، یک بخش غیر مغناطیسی از ماده ی شیشه ای، تشکیل می شود. پیش از استفاده از تکنولوژی لایه ی نازک، این بخش ها، با فرایندهای پیچیده تولید می شوند. برای مثال، مواد مورد استفاده در ساخت هسته ی هدهای مغناطیسی، ابتدا، در مخلوطی از شیشه خرده، فرو برده می شوند و سپس تحت عملیات سانتریفیوژ قرار داده می شوند تا بدین صورت، یک لایه ی هموژن از شیشه بر روی سطح هسته، تشکیل شود. بعد از تشکیل یک لایه ی شیشه ای بر روی سطح هسته با کمک عملیات حرارتی، دو سطح گاف با یک ساختار ساندویچی شیشه ای، ایجاد می شود تا بدین صورت، عملکرد گاف، به خوبی انجام شود. به دلیل اینکه عرض گاف مغناطیسی در حدود 0.3 میکرون است، روش های سنتی به سختی می توانند برای ساخت آن استفاده شوند زیرا کنترل ضخامت لایه ی شیشه ی در حال پخت، سخت است.
تکنولوژی رسوب دهی لایه ی نازک موجب می شود تا تولید هدهای مغناطیسی با طول گاف برابر با 0.3 میکرون، مقدور شود. تکنولوژی تولید گاف های باریک، بر اساس فرایندهای رسوب دهی لایه ی نازک، می باشد. تکنولوژی کندوپاش به دلیل دقت بالا و قابلیت رسوب دهی دقیق، برای تولید مواد لایه ای جدید، مورد استفاده قرار می گیرد. مثلا از این مواد در تولید GMR استفاده می شود. اثرات وابسته به چرخش، اثر تونل زنی و مقاومت مغناطیسی موجب می شود تا دیسک های حافظه ای با دانسیته ی بالا، تولید شوند. این دانسیته می تواند تا 200 گیگا بیت بر اینچ مربع می رسد.
مواد لایه نازک برای تولید وسایل الکترونیکی مانند مقاومت های با دقت بالا، وسایل SAW، وسایل BAW ، دیسک های نوری، نوارهای مغناطیسی، دیسک های مغناطیسی و سنسورهای مربوطه و زمینه های فعال مورد استفاده در تلویزیون های کریستال مایع، استفاده می شوند. لایه های نازک ابر رسانای دما بالا، برای تولید فیلترهای صفحه ای ابر رسانا با ظرفیت باندی در حد گیگ، مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر این، وسایل اپتیکی- صوتی و اپتیکی- مغناطیسی مورد استفاده در پردازش اطلاعات نوری، بوسیله ی Tsai توسعه یافته است.
توسعه ی وسایل حاوی لایه نازک توسعه ی خود را مدیون تکنولوژی تجمیع بر پایه ی سیلیکون (LSI) است. در این فرایند، از رشد لایه نازک، میکروتولید و تکنولوژی تجزیه و تحلیل سطحی و بین سطحی، استفاده می شود. این مسئله جالب توجه است که حافظه های دینامیک فروالکتریک با قابلیت دسترسی تصادفی (FEDRAM) توسعه یافته است و امروزه، به طور عملی، مورد استفاده قرار می گیرد. لایه های نازک فروالکتریک در گذشته برای استفاده در سنسورهای دی الکتریکی و پیروالکتریکی با ظرفیت بالا، مورد مطالعه، قرار گرفت. FEDRAM توسعه ی خود را مدیون توسعه ی Si LSI و تکنولوژی لایه ی نازک فروالکتریک می باشد. ابر شبکه های مورد استفاده در GMR نیز موجب می شود تا دانسیته ی این حافظه ها، افزایش پیدا کند. FEDRAM و MRDRAM نسل آینده از تکنولوژی LSI می باشند.
شکل 1 نشاندهنده ی تصاویری از برخی از اداوتی است که در آنها، از لایه نازک، استفاده شده است. محققین پیشگام در زمینه ی رسوب دهی کندوپاشی باریکه ی یونی، یعنی K. L. Chopra می گویند که "لایه نازک در گذشته به عنوان حالت پنجم ماده، طبقه بندی می شده است. علت این مسئله، خواص جالب توجه این ماده در مقایسه با ماده ی بالک، می باشد. این مسئله موجب شده است تا پیشرفت های قابل توجهی در زمینه ی تکنولوژی استفاده تولید این لایه ها، ایجاد شود.
فرایند رسوب دهی کندوپاشی، فرایندی پیچیده است. به هر حال، بسیاری از مشکلات مربوط به این تکنولوژی در طی زمان، حل شده است. تکنولوژی کندوپاشی در بسیاری از فرایندهای تولید، مورد توجه قرار گرفته است زیرا این فرایند، فرایندی دوستدار محیط زیست می باشد و مسائل محیط زیستی مربوطه، نسبت به تکنولوژی دیگر، کمتر است. کاربردهای جدید از کندوپاش نیز در حال گسترش می باشد.
G. K. Wehner، محقق پیشگام در زمینه ی فیزیک کندوپاش، اعتقاد دارد که کندوپاش، دارای پتانسیل بالایی در زمینه ی رسوب دهی نیمه رساناهای با کیفیت بالایی است که گاهاً مشابه و یا بهتر از روش هایی همچون MBE و CVD است. مطالعات دیگر بر روی کینتیک رشد رسوب های کندوپاش شده، موضوع مطرح شده بوسیله ی این محقق را نمایان می کند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Thin Film Materials Technology /Kiyotaka Wasa
از اواخر دهه ی 1950، لایه های نازک به طور گسترده در تولید وسایل الکترونیکی، کاربرد یافت. در اوایل دهه ی 1960، Weimer یک ترانزیستور بر پایه ی لایه ی نازک (TFTs) را پیشنهاد کرد که از لایه های نازک CdS تشکیل می شد. او موفق شد تا یک بخش رمزگشایی ترانزیستوری از جنس لایه نازک ایجاد کند که از دو ترانزیستور 16 مرحله ای مشتق می شدند. این ترانزیستور در روبش گر تلویزیون، رساناهای فوتونی مربوطه، خازن ها و مقاومت ها، کاربرد دارد. اگر چه این وسایل حاوی لایه ی نازک، بهترین مدل از توسعه ی صنعت لایه ی نازک می باشند، پایداری ضعیف TFT ها موجب شده است تا مانعی بر سر راه استفاده ی عملی از آنها، ایجاد شود. وسایل MOS بر پایه ی سیلیکون (نیمه رساناهای اکسید فلزی) به طور موفقیت آمیز در انتهای دهه ی 1960، توسعه یافتند. بنابراین، وسایل حاوی لایه ی نازک برای استفاده های عملی، به وسایل پسیوی همچون مقاومت ها و خازن ها، محدود بودند.
در دهه ی 1970، چند وسیله ی جدید با استفاده از لایه نازک، پیشنهاد شد. این وسایل شامل وسایل موج اکوسیکی سطحی (SAW)، وسایل موج اکوستیکی بالک (BAW) و وسایل اپتیکی مجتمع بودند که در آنها از لایه نازک استفاده شده بود. یک گستره ی وسیع از وسایل تولیدی از لایه ی نازک بدین وسیله، توسعه یافت. از بین آنها، یکی از جالب ترین تکنولوژی ها، تکنولوژی سیلیکون آمورف بود که به صورت لایه ی نازک و بوسیله ی فرایند CVD ایجاد می شد. این تکنولوژی موجب می شد تا یک فرایند دوپ شوندگی در دمای پایین انجام شود و ناخالصی های مورد نظر، در سیلیکون ایجاد شود. این سیلیکون در سلول های خورشیدی و TFT ها کاربرد دارد. در دهه ی 1980، پیشرفت سریعی در تکنولوژی سیلیکون آمورف، ایجاد شد. سلول های خورشیدی تولید شده از سیلیکون آمورف، برای ماشین حساب های الکتریکی مورد استفاده قرار گرفت، اگر چه بازده تبدیل انرژی آنها تنها 5 تا 7% بود و این میزان از بازده مربوط به سلول های خورشیدی حاوی سیلیکون کریستالی، پایین تر بود. در میانه ی دهه ی 1980، استفاده از یک نوع سیلیکون آمورف با کیفیت بالا، منجر به تولید تلویزیون های کریستال مایع شد. در این تکنولوژی از TFT های بر پایه ی سیلیکون آمورف، استفاده شده است. به دلیل بهبود ایجاد شده در لایه ی نازک تولیدی از سیلیکون آمورف، بازده تبدیل انرژی در این نوع از سلول های خورشیدی، به 21 تا 23 % رسید. این بازده در گستره ی بازده سلول های خورشیدی بر پایه ی سیلیکون کریستالی بود. استفاده از تکنولوژی لایه ی نازک برای تولید سلول های خورشیدی بر پایه ی سیلیکون آمورف با بازده بالا، می تواند یک کلید برای تولید انرژی پاک باشد زیرا یک سلول خروشیدی بر پایه ی سیلیکون آمورف، بسیار کمتر از یک سلول خورشیدی سیلیکونی بالک و کریستالی، انرژی مصرف می کند.
سایر وسایل جالبی که در انها از لایه ی نازک، استفاده می شود، وسایل SAW حاوی لایه ی نازک ZnO و وسایل BAW حاوی لایه ی نازک می باشند که برای تلویزیون های رنگی، تلفن های بی سیم و سیستم های ارتباطاتی، استفاده می شوند. ZnO به عنوان یک ماده ی پیزوالکتریک شناخته می شود که برای ساخت مبدل های صوتی، استفاده می شود. فرایند کندوپاش، به طور موفقیت آمیز برای تولید لایه های نازک از جنس ZnO استفاده می شود. وسایل SAW و BAW به عنوان نوسانگرهای حالت جامد عمل کرده و می توانند باندهای MHz را به GHz تبدیل کنند.
لایه های نازک سیلیکون کاربیدی (SiC) که در واقع سنسورهای دما بالا می باشند، یکی دیگر از انواع محصولات بر پایه ی لایه ی نازک می باشند که در دهه ی 1980 تولید شده اند. سنسورهای دمایی با استفاده از تک کریستال های بالک SiC تولید می شوند. این سنسورها در ماهواره ها کاربرد دارند که علت استفاده از آنها در این وسایل، مقاومت تابشی بسیار بالای این ماده می باشد. به هر حال، سختی تولید ادوات دقیق موجب شده است تا مانعی در سر راه تجاری سازی این محصول، ایجاد شود. تکنولوژی کندوپاشی قادر است تا مواد SiC دما بالا را در دمای پایین تولید کنند و بدین صورت بتوان بر مشکل ساخت سنسورهای SiC فایق آییم. این وسایل تولید شده از SiC، امروزه، به صورت مدارهای مجتمع نیمه رسانایی ساخته شده است که در برابر تابش مقاوم می باشند و توان بالایی نیز دارند. ساختارهای چند لایه ی دارای ابعاد نانومتری، می تواند برای ساخت وسایل SiC MOS مورد استفاده قرار گیرد. این وسایل، دارای پتانسیل خوبی برای صرفه جویی در مصرف انرژی می باشند.
فرایند کندوپاش می تواند برای ساخت گاف های مغناطیسی باریک مورد استفاده قرار گیرد. این گاف ها در سیستم های ثبت ویدئویی و در دیسک های کامپیوتری کاربرد دارد. در تولید گاف های مغناطیسی، یک بخش غیر مغناطیسی از ماده ی شیشه ای، تشکیل می شود. پیش از استفاده از تکنولوژی لایه ی نازک، این بخش ها، با فرایندهای پیچیده تولید می شوند. برای مثال، مواد مورد استفاده در ساخت هسته ی هدهای مغناطیسی، ابتدا، در مخلوطی از شیشه خرده، فرو برده می شوند و سپس تحت عملیات سانتریفیوژ قرار داده می شوند تا بدین صورت، یک لایه ی هموژن از شیشه بر روی سطح هسته، تشکیل شود. بعد از تشکیل یک لایه ی شیشه ای بر روی سطح هسته با کمک عملیات حرارتی، دو سطح گاف با یک ساختار ساندویچی شیشه ای، ایجاد می شود تا بدین صورت، عملکرد گاف، به خوبی انجام شود. به دلیل اینکه عرض گاف مغناطیسی در حدود 0.3 میکرون است، روش های سنتی به سختی می توانند برای ساخت آن استفاده شوند زیرا کنترل ضخامت لایه ی شیشه ی در حال پخت، سخت است.
تکنولوژی رسوب دهی لایه ی نازک موجب می شود تا تولید هدهای مغناطیسی با طول گاف برابر با 0.3 میکرون، مقدور شود. تکنولوژی تولید گاف های باریک، بر اساس فرایندهای رسوب دهی لایه ی نازک، می باشد. تکنولوژی کندوپاش به دلیل دقت بالا و قابلیت رسوب دهی دقیق، برای تولید مواد لایه ای جدید، مورد استفاده قرار می گیرد. مثلا از این مواد در تولید GMR استفاده می شود. اثرات وابسته به چرخش، اثر تونل زنی و مقاومت مغناطیسی موجب می شود تا دیسک های حافظه ای با دانسیته ی بالا، تولید شوند. این دانسیته می تواند تا 200 گیگا بیت بر اینچ مربع می رسد.
مواد لایه نازک برای تولید وسایل الکترونیکی مانند مقاومت های با دقت بالا، وسایل SAW، وسایل BAW ، دیسک های نوری، نوارهای مغناطیسی، دیسک های مغناطیسی و سنسورهای مربوطه و زمینه های فعال مورد استفاده در تلویزیون های کریستال مایع، استفاده می شوند. لایه های نازک ابر رسانای دما بالا، برای تولید فیلترهای صفحه ای ابر رسانا با ظرفیت باندی در حد گیگ، مورد استفاده قرار می گیرند. علاوه بر این، وسایل اپتیکی- صوتی و اپتیکی- مغناطیسی مورد استفاده در پردازش اطلاعات نوری، بوسیله ی Tsai توسعه یافته است.
توسعه ی وسایل حاوی لایه نازک توسعه ی خود را مدیون تکنولوژی تجمیع بر پایه ی سیلیکون (LSI) است. در این فرایند، از رشد لایه نازک، میکروتولید و تکنولوژی تجزیه و تحلیل سطحی و بین سطحی، استفاده می شود. این مسئله جالب توجه است که حافظه های دینامیک فروالکتریک با قابلیت دسترسی تصادفی (FEDRAM) توسعه یافته است و امروزه، به طور عملی، مورد استفاده قرار می گیرد. لایه های نازک فروالکتریک در گذشته برای استفاده در سنسورهای دی الکتریکی و پیروالکتریکی با ظرفیت بالا، مورد مطالعه، قرار گرفت. FEDRAM توسعه ی خود را مدیون توسعه ی Si LSI و تکنولوژی لایه ی نازک فروالکتریک می باشد. ابر شبکه های مورد استفاده در GMR نیز موجب می شود تا دانسیته ی این حافظه ها، افزایش پیدا کند. FEDRAM و MRDRAM نسل آینده از تکنولوژی LSI می باشند.
فرایند رسوب دهی کندوپاشی، فرایندی پیچیده است. به هر حال، بسیاری از مشکلات مربوط به این تکنولوژی در طی زمان، حل شده است. تکنولوژی کندوپاشی در بسیاری از فرایندهای تولید، مورد توجه قرار گرفته است زیرا این فرایند، فرایندی دوستدار محیط زیست می باشد و مسائل محیط زیستی مربوطه، نسبت به تکنولوژی دیگر، کمتر است. کاربردهای جدید از کندوپاش نیز در حال گسترش می باشد.
G. K. Wehner، محقق پیشگام در زمینه ی فیزیک کندوپاش، اعتقاد دارد که کندوپاش، دارای پتانسیل بالایی در زمینه ی رسوب دهی نیمه رساناهای با کیفیت بالایی است که گاهاً مشابه و یا بهتر از روش هایی همچون MBE و CVD است. مطالعات دیگر بر روی کینتیک رشد رسوب های کندوپاش شده، موضوع مطرح شده بوسیله ی این محقق را نمایان می کند.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Thin Film Materials Technology /Kiyotaka Wasa
