فرایندهای رشد لایه نازک (3)

فرایندهای PVD متفرقه

آبکاری یونی اولین بار بوسیله ی Mattox و در دهه ی 1960 میلادی، پیشنهاد شد. فلاکس پوشش در این روش، معمولاً بوسیله ی تبخیر گرمایی ایجاد می شود. اتم های تبخیر شده در ناحیه ای پلاسمایی، یونیزه می شوند و بوسیله ی یک میدان الکتریکی شتاب داده می شوند و سپس بر روی زیرلایه، رسوب داده می شوند. یک ساختار متداول از این نوع روش، در شکل 1 نشان داده شده است. چسبندگی لایه ی نازک بوسیله ی شتاب گرفتن اتم های تبخیری، بهبود می یابد.
تبخیر فعال واکنشی (ARE) نیز که بوسیله ی Bunshah پیشنهاد شده است، به صورت متداول برای رسوب دهی اکسیدهای فلزی، کاربیدها و نیتریدها، مورد استفاده قرار می گیرد. پیکربندی مربوط به سیستم ARE در شکل 2 نشان داده شده است. این پیکربندی مشابه سیستم آبکاری یونی است. گازهای فعال به داخل ناحیه ی پلاسما وارد می شوند و بدین صورت، واکنشی میان اتم های تبخیر شده و اتم های گازی فعال، ایجاد می شود.
رسوب دهی با باریکه ی خوشه ی یونیزه (ICBD) نیز در دهه ی 1970 بوسیله ی Takagi پیشنهاد شده است. این روش، یک روش اصلاح شده از آبکاری یونی است. اتم ها، از یک منبع محدود تبخیر می شوند و از طریق یک نازل، انتقال می یابند. سرد شدن اتم ها بعد از تبخیر و در حین عبور از نازل، موجب می شود تا یک خوشه تشکیل شود. این خوشه دارای یک چند صد تا چند هزار اتم است.
این خوشه ها، با عبور از ناحیه ی پلاسما، یونیز می شود و سپس به سمت زیرلایه، شتاب می گیرند. انرژی متوسط مربوط به اتم ها در خوشه ی شتاب داده شده، در گستره ی 0.2 تا چند الکترون ولت است. انرژی نسبتا پایین این اتم ها، موجب می شود تا تخریب های شبکه ای ایجاد شده در سطح زیرلایه، کاهش یابد.

فرایند CVD

وقتی یک ترکیب فرار قرار است رسوب داده شود و به همین خاطر، تبخیر می شود و بخارات حاصله به اتم ها و یا مولکول های ماده ی متشکله، تجزیه می شود و یا با گازهای فعال، واکنش می دهد، محصولات واکنشی غیر فراری ایجاد می کند که بر روی سطح زیرلایه رسوب می کنند. این فرایند، فرایند رسوب دهی شیمیایی از فاز بخاز (CVD) نامیده می شود.
بیشتر فرایندهای CVD در گستره ی فشار چند تور کار می کنند و برخی اوقات، می تواند فشار بالاتر از فشار جو نیز باشد. یک دمای بالا (مثلا در حدود 1000 درجه ی سانتیگراد) ضروری است تا بدین صورت، بازده مربوط به واکنش شیمیایی افزایش یابد ساختار نمونه وار یک سیستم رسوب دهی CVD در شکل 3 نشان داده شده است.
روش CVD با کمک پلاسما که اغلب به صورت مختصر، به آن PACVD گفته می شود، یکی از روش های CVD اصلاح شده می باشد. ساختار اصلی این سیسستم در شکل 4 نشان داده شده است. در سیستم PACVD، الکتریسیته به رآکتور اعمال می شود تا بدین صورت، یک پلاسما ایجاد شود. این برق بوسیله ی یک پیچه ی القایی اعمال می شود و یا به صورت مستقیم بوسیله ی الکترودهای تخلیه ی درخشان دیودی، اعمال می شود. معمولاً فشار کاری در این حالت، در گستره ی 10 تا 100 پاسکال است. در پلاسمای ایجادی، میزان یونیزاسیون تنها در حد
می باشد. بنابراین، گاز موجود در رآکتور، عمدتاً گاز خنثی است. یون ها و الکترون ها، از میان گازهای خنثی عبور کرده و انرژی خود را از میان الکتریکی موجود در پلاسما، دریافت می کنند. انرژی متوسط الکترون ها، در این حالت از 2 تا 8 eV است که این انرژی مربوط به دماهای الکترونی در حدود 23000 تا 92800 کلوین است. در عوض، یون های سنگین تر، نمی توانند انرژی کافی برای جفت شدن را از میدان الکتریکی دریافت کنند. یون های موجود در پلاسما، انرژی دارند که اندکی از انرژی های مربوط به گاز طبیعی موجود در دمای اتاق، بالاتر است. به طور نمونه وار، دمای مربو به یون های موجود در این نوع پلاسما، در حدود 500 کلوین است.
از آنجایی که دمای الکترون در پلاسما، بیشتر از دمای گاز است، تعادل گرمایی میان الکترون ها و مولکول های گازخنثی، حفظ می شود. این مسئله پیشنهاد می کند که پلاسما در تخلیه ی درخشان، یک نوع پلاسمای سرد است که از الکترون های دما بالا و مولکول های گازی در دمای اتاق، تشکیل شده است. الکترون های دما بالا موجب می شود تا واکنش شیمیایی در پلاسما افزایش یابد (جدول 1). این مسئله موجب می شود تا دمای واکنش ها، کاهش یابد.
چند فرایند PACVD بهبود یافته، توسعه یافته است. در یکی از این توسعه ها، پلاسماهای بر پایه ی میکروویو برای کاهش فشار کاری، مورد استفاده قرار گرفته است. یک میدان مغناطیسی بر روی پلاسمای میکروویو اعمال می شود و بدین صورت، رزونانسی میان فرکانس سیکلوترون الکترون و میدان الکتریکی اعمال شده، ایجاد شود. این مورد به عنوان رزونانس سیکلوترون الکترونی (ECR) نامیده می شود. یک ساختار نمونه وار از این مورد، در شکل 5 نشان داده شده است.
رسوب دهی شیمیایی با کمک لیزر (laser CVD) نیز به عنوان یکی از روش های CVD اصلاح شده، در نظر گرفته می شود. این واکنش های CVD با تابش نور لیزر فرابنفش و بدون استفاده از برق الکتریکی، فعال سازی می شود.
در بین این فرایندهای رسوب دهی، فرایندهای رسوب دهی با کمک یون مانند کندوپاش، آبکاری یونی و PACVD فرایندهای یونی نامیده می شود.

شرایط رسوب دهی

بیشتر لایه های نازک با استفاده از تبخیر، کندوپاش و رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، تولید می شوند. طبیعت لایه های رسوب دهی شده، بوسیله ی پارامترهای رسوب دهی مانند نرخ رسوب دهی، دمای زیرلایه، نوع مواد زیرلایه و اتمسفر رسوب دهی، تعیین می شوند.
ترکیب شیمیایی لایه های رسوب داده شده، بوسیله ی دمای زیرلایه و یا اتمسفر رسوب دهی، تعیین می شود. تحت دماهای پایین زیرلایه، ترکیب شیمیایی مربوط به لایه ی رسوب داده شده، از ترکیب مواد منبع متفاوت است که علت آن، تبخیر مجدد مواد در فشار بخار بالا و در حین رسوب دهی می باشد.
مولکول های گازی مربوط به اتمسفر رسوب دهی، اغلب شامل مواد مربوط به لایه ی رسوب کرده است. مولکول های گازی فعال، با لایه ی نازک واکنش می دهد و لایه ی منتج شده، ترکیبی بین منبع تبخیر شده و گاز فعال موجود در اتمسفر، می شود. لایه ی نازک از جنس اکسیدهای فلزی، با کندوپاش فعال هدف های فلزی در اتمسفر اکسیژن، تولید می شود. یک انتخاب مناسب از فرایندهای رسوب دهی، در زمانی نیاز است که لایه های نازک برای آماده سازی وسایل الکترونیک فعال، مورد استفاده قرار می گیرد زیرا سطح زیرلایه های نیمه رسانا اغلب در حین رسوب دهی، آسیب می بیند. ویژگی های خاص مربوط به فرایندهای رسوب دهی در جدول 2 آورده شده است.
برای آگاهی یافتن از فرایند رسوب دهی لایه ی نازک، ما باید نرخ رشد این لایه های نازک را در نظر بگیریم. تئوری کینتیکی مربوط به گازها، نشان می دهد که تعداد مولکول های گازی تبخیر شده که به سطح زیرلایه برخورد می کند ( )، به صورت زیر بیان می شود:
که در اینجا،
فشار بخار (تور) مربوط به مولکول های گازی تبخیر شده، M وزن مولی مربوط به مولکول های گازی تبخیر شده، T دمای مولکول های گازی تبخیر شده بر حسب کلوین و جرم ذرات تبخیر شده ی برخورد کننده، می باشد. وقتی زیرلایه ها، در اتمسفری با فشار قرار دارند، مولکول های گازی تبخیر شده، به سطح زیرلایه می رسند و لایه های نازک، بر روی زیرلایه رشد خواهند کرد. اگر ما فرض کنیم که کل مولکول ها، بر روی سطح زیرلایه رسوب کنند (بدون آنکه تبخیر مجدد از زیرلایه رخ دهد)، نرخ رشد مربوط به لایه ی نازک (D) به صورت زیر بیان می شود:
که در اینجا، دانسیته ی لایه ی نازک می باشد.
این فهمیده شده است که یک فشار بخار منبع برابر با ، یک نرخ رسوب دهی مطلوب را برای لایه ی نازک، ایجاد می کند. به عنوان یک مثال، برای رسوب دهی لایه های نازک مسی، با در نظر گرفتن ، M=63.5 g ، T=300 K و ، D مسادی 300 nm/sec می شود. در فرایند تبخیر گرمایی، دمای تبخیر عملی برای عناصر فلزی تقریباً برابر با نقطه ی ذوب آنها می باشد. فشار بخار منبعی برابر با ، در دمای 200 تا 300 درجه پایین تر از دماهای شاخص مربوط به مواد دیواره، بدست می آید. این 200 تا 300 درجه کاهش دما، موجب کاهش فشار گاز خروجی به زیر می شود.
خواص کریستالی مربوط به لایه های رسوب داده شده، با انتخاب مواد زیرلایه و دماهای زیرلایه، کنترل می شوند. لایه های نازک آمورف در دماهای زیر دمای کریستالیزاسیون مربوط به لایه ی نازک، بر روی شیشه و یا زیرلایه ی سرامیکی، ایجاد می شود. لایه های پلی کریستال، بر روی زیرلایه های شیشه ای و یا سرامیکی و در دمایی بالاتر از دمای کریستالیزاسیون، ایجاد می شود. لایه های تک کریستال، عموماً بر روی زیرلایه های تک کریستال و به صورت رشد همبافت تولید می شوند. در رشد همبافت، دمای اپیتاکسی با رابطه ی زیر بیان می شود:


که در اینجا، R نشاندهنده ی نرخ رسوب دهی، نشاندهنده ی دمای مینیمم مربوط به رشد همبافت و Q، انرژی فعال سازی مربوط به رشد همبافت می باشد. دمای اپیتاکسی برای Ge برابر با 400 درجه ی سانتیگراد، و برای لایه های نازک Si، بین 1100 تا 1200 درجه ی سانتیگراد، می باشد. نرخ رسوب دهی پایین در دماهای اپیتاکسی پایین تر، ایجاد می شود. فرایندهای اپیتاکسی در واقع اپیتاکسی فاز بخار، نامیده می شود. در عوض، لایه های پلی کریستالی، که بر روی زیرلایه های تک کریستال، رسوب داده می شوند، به دلیل فرایند تونل زنی متعاقب، به تک کریستال تبدیل می شوند. این فرایند، فرایند اپیتاکسی در فاز جامد، نامیده می شود. رابطه ی میان شرایط رسوب دهی و خواص کریستالی مربوط به لایه ی رسوب داده شده، در جدول 3 نشان داده شده است.
مواد زیرلایه ی متداول مانند شیشه، سرامیک و مواد تک کریستال، در جدول های 4 و 5 و 6 نشان داده شده است. روابط اپیتاکسی مربوط به مواد تک کریستال، برای لایه های نازک مختلف، در جدول 7 نشان داده شده است.

شناسایی

یک معیار برای اندازه گیری خواص لایه های نازک، برای مطالعه ی لایه ی نازک و وسایل مربوط، ضروری می باشد. ترکیب شیمیایی، ساختار کریستالی، نوری، الکتریکی و خواص مکانیکی باید برای ارزیابی این لایه ها، اندازه گیری شود.
چند روش برای ارزیابی لایه های نازک وجود دارد که در جدول 8 به صورت خلاصه در مورد آنها صحبت شده است. در میان این فرایندها، پیشرفت سریعی در زمینه ی ارزیابی سطح و ترکیب لایه های نازک، انجام شده است. چندین روش برای ارزیابی سطح لایه های نازک، پیشنهاد شده است. روش های نمونه وار، در جدول 9 آورده شده است. یک تعداد از ملاحظات اصلی برای تعیین یک روش ابزاری مناسب، باید مد نظر قرار گیرد تا بدین وسیله، بتوان مشکلات ویژه در زمینه ی لایه های نازک را فهمید و بدین صورت، بتوان عناصر ناخواسته و ناخالصی را که ممکن است در داخل این لایه ها، وجود داشته باشد را شناسایی کرد.
در مطالعه ی مواد لایه ی نازک، ارزیابی خواص لایه ی نازک در جدول 8 آورده شده است. همچنین در این شکل 6، روابطی میان شرایط رشد و خواص مربوط به لایه ی نازک وجود دارد. ارزیابی درجای سطح و یا خواص لایه ی نازک، برای تعیین روابط میان شرایط رشد و خواص لایه، مورد نیاز است. طیف سنجی الکترونی اوژه (AES) به صورت گسترده ای برای اندازه گیری ترکیب شیمیایی لایه ی نازک در حین رشد لایه، مورد استفاده قرار می گیرد. فرایند کندانسیون و خواص سطحی کریستال های لایه ی نازک، با استفاده از تفرق انعکاسی الکترونی با انرژی بالا (RHEED) مورد ارزیابی قرار می گیرد.
علاوه بر تجزیه و تحلیل ابزاری، ارزیابی خواص الکتریکی و خواص فیزیکیف نیز مهم می باشد. برای مثال، میزان ناخالصی موجود در لایه های فلزی، با اندازه گیری مقاومت الکتریکی و ضریب دمایی لایه، ارزیابی می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Thin Film Materials Technology /Kiyotaka Wasa