پدیده ی کندوپاش (1)

Grove برای اولین بار، در سال 1852، پدیده ی کندوپاش (sputtering) را در یک تیوب تخلیه ی گازی dc مشاهده کرد. او کشف کرد که سطح کاتدی مربوط به تیوب تخلیه بوسیله ی یون های پر انرژی موجود در تخلیه ی گاز، تحت کندوپاش قرار می گیر و مواد کاتدی بر روی دیواره ی داخلی تیوب تخلیه، رسوب کرده اند.
در آن زمان، کندوپاش به عنوان یک پدیده ی نامطلوب در نظر گرفته می شد زیرا کاتد و شبکه ی موجود در تیوب تخلیه ی گازی به دلیل این پدیده، تخریب می شود. به هر حال، امروزه کندوپاش به صورت گسترده برای تمیزکاری و اچ سطحی، رسوب دهی لایه ی نازک، تجزیه و تحلیل سطحی و تعیین ویژگی های لایه های سطحی و به عنوان منبعی برای یون کندوپاش شده، استفاده می شود.
در این مقاله، اصول مربوط به تکنولوژی های کندوپاش مختلف، توصیف می شود. ذرات پر انرژی در کندوپاش، ممکن است یون ها، اتم های خنثی، نوترون ها، الکترون ها و یا فوتون ها باشند. از آنجایی که در بیشتر سیستم های کندوپاش، بمباران یونی وجود دارد، در این مقاله، به صورت خاصی در مورد این مسئله، صحبت خواهد شد.

بازده کندوپاش

بازده کندوپاش که با S نشان داده می شود، در واقع نرخ جدایش اتم های سطحی به دلیل بمباران یونی می باشد. این نرخ به عنوان تعداد متوسط اتم هایی تعریف می شود که از سطح یک جامد و به ازای برخورد هر یون، خارج می شود:
بازده کندوپاش = تعداد اتم های جداسازی شده / تعداد یون های برخورد کننده
کندوپاش بوسیله ی برهمکنش های میان ذرات و اتم های هدف، ایجاد می شود. بازده کندوپاش بوسیله ی فاکتورهای زیر، تحت تأثیر قرار می گیرند:
1. انرژی مربوط به ذرات برخورد کننده
2. مواد هدف
3. زاویه ی برخورد ذرات
4. ساختار کریستالی مربوط به سطح هدف
بازده کندوپاش می تواند با روش های زیر اندازه گیری شود:
1. اتلاف وزن هدف
2. کاهش در ضخامت هدف
3. جمع آوری مواد کندوپاش شده
4. ردیابی ذرات کندوپاش شده در موقع حرکت در فضا
بازده کندوپاش به طور متداول، با استفاده از اندازه گیری میزان اتلاف وزنی ایجاد شده در هدف و با استفاده از روش میکرو تعادلی تشدیدی مربوط به کریستال کوارتز (QCOM) انجام می شود. روش های آنالیز سطحی شامل طیف سنجی تفرق بازگشتی رودرفورد (RBS) برای اندازه گیری میزان تغییر ضخامت و یا مقایسه ی هدف ها در مقیاس اتمی و در طی کندوپاش، مورد استفاده قرار می گیرد. RBS ضرورتاً روشی غیر مخرب است و بازده دینامیک کندوپاش با استفاده از این روش، و با دقت تقریبی 10 % اندازه گیری می شود. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و روش های قلمی برای اندازه گیری میزان تغییر در ضخامت هدف، مورد استفاده قرار می گیرد. این روش ها، نیازمند یک عمق خوردگی مناسب می باشند که نباید از 0.1 میکرون، بیشتر شود. روش QCOM یک روش بررسی حساس با رزولیشنی کمتر از یک مونولایه هستند.
هم روش باریکه ی الکترونی و هم پروتون- پروبی، به صورت موفقیت آمیز و به صورت درجا، برای تعیین بازده، مورد استفاده قرار می گیرد. طیف سنجی الکترون اوژه (AES) می تواند همچنین برای تعیین ضخامت مونولایه، استفاده شود. انتشار اشعه ی X بوجود آمد از پروتون ها (PIXE) به همراه انرژی های الکترونی 100 تا 200 keV و انتشار اشعه ی X القا شده از الکترون به همراه انرژی های الکترونی در حدود 10 keV، برای اندازه گیری بازده کندوپاش، استفاده می شود. روش PIXE می تواند هم ناخالصی های سطحی و هم بازده کندوپاش خالص از هدف را تعیین کند.

انرژی یونی

شکل 1 نشاندهنده ی تغییر نمونه وار در بازده کندوپاش به همراه انرژی یون برخوردی می باشد. این شکل، موارد زیر را پیشنهاد می شود:
1. در نواحی با انرژی پایین، یک حد انرژی آستانه برای کندوپاش، ضروری است.
2. بازده کندوپاش، نشاندهنده ی یک میزان ماکزیمم در ناحیه ی با انرژی بالا می باشد.
Hull برای اولین بار، وجود آستانه ی کندوپاش را در سال 1923 مشاهده کرد. او فهمید که کاتد تنگستن- توریوم در تیوب رکتیفایری گازی، بوسیله ی بمباران با یون ها، تخریب می شود. در واقع این مسئله در زمانی رخ می دهد که انرژی یون های برخورد کننده، از یک مقدار بحرانی، بیشتر شود. این میزان از انرژی در حد 20 تا 30 eV است. بسیاری از محققین بر روی آستانه ی کندوپاش، کار کرده اند زیرا این آستانه، به مکانیزم کندوپاش، وابسته می باشد. مقادیر آستانه ی بدست آمده بوسیله ی این محققین، در گستره ی 50 تا 300 eV است. نتایج بدست آمده بوسیله ی آنها، برخی اوقات، شک آور و متفاوت می باشد زیرا انرژی آستانه، عمدتاً بوسیله ی مقادیر اتلاف وزن ایجاد شده در کاتد، تعیین می شود. این میزان در حدود اتم بر یون است. انرژی آستانه، نیز به میزان ناخالصی های سطحی حساس می باشد. علاوه بر این، زاویه ی برخورد یون ها و جهت گیری کریستالی مربوط به مواد کاتدی، همچنین موجب تغییر در مقادیر آستانه می شود.
در سال 1962، Stuart و Wehner مقادیر آستانه ی مورد قبول را با استفاده از روش طیف سنجی، اندازه گیری کردند. آنها مشاهده کردند که مقادیر آستانه در گستره ی 15 تا 30 eV است. این مسئله مشابه با مشاهدات Hull بوده است و در واقع 4 برابر حرارت تصعید مربوط به مواد کاتد می باشد.

یک تیوب تخلیه ی گازی که بوسیله ی Wehner مورد استفاده قرار گرفته است، در شکل 2 نشان داده شده است. هدف وارد شده در داخل پلاسما، در داخل یک تیوب تخلیه ی محتوی بخارات جیوه، قرار گرفته است. در این تیوب ها، فشار جیوه در حد
می باشد. دمای مربوط به هدف نیز در حدود 300 درجه ی سانتگراد نگه داشته می شود تا بدین صورت، میزان کندانس شدن بخارات نقره، کاهش یابد. اتم های هدف کندوپاش شده، در بخش پلاسما تهییج می شوند و بدین صورت، طیف های خاص، انتشار می یابد. بازده مربوط به کندوپاش در انرژی های پایین، بوسیله ی شدت خط طیفی، تعیین می شود. این روش، نیاز به استفاده از روش های اندازه گیری دقیق وزن، ندارد.

بازده کندوپاش در ناحیه ی با انرژی پایین، بوسیله ی Stuart و Wehner اندازه گیری می شود و این مورد در شکل 3 نشان داده شده است. مقادیر آستانه ی مربوط به بازده کندوپاش، در گستره ی تا اتم بر یون می باشد. جدول 1 خلاصه ای از انرژی آستانه ی کندوپاشی را نشان می دهد که بوسیله ی روش های طیف سنجی و برای مواد هدف مختلف، اندازه گیری شده است.

این جدول پیشنهاد می دهد که هیچ تفاوتی میان مقادیر آستانه وجود ندارد. پایین ترین مقادیر که در واقع 4 برابر مقدار حرارت تصعید آن ماده است، بهترین تطابق جرمی را اتم های هدف و یون های برخورد کننده را دارا می باشد. بالاترین انرژی آستانه برای بخش های مشاهده شده است که در آنها، تطابق جرمی، ضعیف بوده است.
انرژی آستانه همچنین به طور قابل توجهی به توالی های برخورد کندوپاشی ذرات، وابسته می باشد. این انتظار وجود دارد که انرژی آستانه ی در توالی برخوردها، بالاترین مقدار می باشد. مقادیر پایین تر نیز برای برخوردهای کندوپاشی چندگانه، مشاهده شده است. زاویه ی برخورد در حدود 40 تا 60 درجه نیز انرژی های آستانه ی مینیمم را ایجاد می کند.
بازده کندوپاش نیز با تغییر در انرژی برخورد یون ها، تغییر می کند. در نواحی با انرژی پایین و در نزدیکی آستانه، میزان بازده کندوپاش با مجذور انرژی یون ها، در ارتباط است (شکل 1). در ناحیه ای که انرژی در حد 100 eV است، میزان بازده کندوپاش با انرژی یون ها، در ارتباط است. در این ناحیه از انرژی، یون های برخورد کننده، با اتم های سطحی مربوط به هدف، برخورد می کنند و تعداد اتم های جایگزین شده به دلیل برخورد، با انرژی برخورد، در ارتباط می باشد.
در انرژی های بالاتر یون ها (در حدود 10 تا 100 eV)، یون های برخورد کننده، در زیر سطح حرکت می کنند و بازده کندوپاش در این حالت، تنها به دلیل کندوپاش سطحی نمی باشد بلکه به تفرق ایجاد شده از داخل هدف نیز وابسته می باشد. در بالاتر از انرژی 10 KeV، بازده کندوپاشی کاهش خواهد یافت که علت این مسئله، تفرق انرژی یون های برخورد کننده در نواحی عمیق تر هدف می باشد.
بازده کندوپاش ماکزیمم در ناحیه ای مشاهده می شود که انرژی یون ها در جدود 10 KeV می باشد. شکل 4 نشاندهنده ی وابستگی انرژی مربوط به بازده می باشد.

یون های برخورد کننده و مواد مورد استفاده در ساخت هدف

داده های مربوط به بازده مربوط به تخلیه ی گازی، رسوب دهی، اچ کردن، تجزیه و تحلیل سطحی و آسیب های تابشی، به صورت گسترده ای مورد بررسی قرار گرفته اند. در ابتدا، بازده کندوپاش در یک تیوب تخلیه ی کاتدی سرد، اندازه گیری شد اما این داده ها، اطلاعات مناسبی برای کار نیست زیرا فرکانس یون های برخود کننده و اتم های کندوپاش شده، به خوبی مشخص نمی باشد.

Laegreid، Wehner و Meckel در سال 1959 اولین داده های قابل اعتماد در مورد بازده کندوپاش را با استفاده از تیوب حاوی فشار پایین گاز ارائه کردند. در حال حاضر، این داده ها هنوز هم به طور گسترده ای برای کاربرد های کندوپاش، مورد استفاده قرار می گیرد. شکل 5 نشاندهنده ی بخش کندوپاش Wehner می باشد. این سیستم بر اساس یک تیوب تخلیه ی حاوی بخارات جیوه، کار می کند. گاز تخلیه فشاری برابر با دارد. بازده کندوپاش در این حالت، به صورت زیر محاسبه می شود:

که در اینجا، W نشاندهنده ی اتلاف وزنی در طی زمان کندوپاش، t جریان یونی و A نشاندهنده ی تعداد اتم های موجود در مواد هدف می باشد.


نتایج نمونه وار در شکل 6 و جدول 2 آورده شده است. هدف های پلی کریستال که در اندازه گیری ها، مورد استفاده قرار می گیرد به گونه ای است که از اثرات مربوط به جهت گیری کریستال، صرفه جویی شود. این قابل توجه است که داده های مربوط به بازده به مقدار وابسته می باشد که در اینجا، ضریب انتشار الکترون ثانویه از مواد هدف است. مقادیر مربوط به برای ترکیبات مختلف و یون های مختلف، در جدول 3 آورده شده است. برای رسوب دهی کندوپاشی، گسترده ی مربوط به انرژی یون برخورد کننده، زیر 1000 eV است. که در اینجا، (برای یون آرگون) است. خطای ایجاد شده در داده های Wehner به صورت نمونه وار، کمتر از 10 % است، حتی اگر اثرات مربوط به انتشار الکترون ثانویه، در نظر گرفته نشده است.


روش های PIXE که اخیرا توسعه یافته است، پیشنهاد می دهد که بازده کندوپاش Cr، که بوسیله ی Wehner اندازه گیری شده است، نشاندهنده ی این است که میزان این بازدهد 0.93 اتم بر یون می باشد (در زمانی که بمباران با یون های آرگون با انرژی 1.0 keV انجام می شود). Wehner یک مقدار بازده برابر با 1.18 را در ولتاژ 500 eV گزارش داده است. اندازه گیری های مربوط به این بازده که در شکل 6 و جدول 2 آورده شده است، 5 برابر اندازه گیری های PIXE است.
همانگونه که در شکل 6 نشان داده شده است، بازده های کندوپاش به صورت دوره ای با تعداد اتم های عنصری، تغییر می کند. مقایسه ی مواد مختلف، نشان داده است که بازده به صورت پیوسته و در زمانی که پوسته های الکترونیکی مربوط به مواد هدف، پر می شود، افزایش می یابد. در این حالت، مس، نقره و طلا، بالاترین بازده را داشته اند. به صورت عکس، عناصر دارای ساختار الکترونی باز، موجب می شود تا حداقل میزان بازده حاصل شود. بازده کندوپاش با فاکتور انتقال انرژی در ارتباط است و تابعی از سختی اتم هاست زیرا برخوردهای صلب، موجب می شود تا میزان این بازده، افزایش یابد. تناوب همچنین در آستانه های کندوپاش، مشاهده شده است. Sigmund در مورد ملاحظات تئوری کار کرده است.
اثرات زاویه ی برخورد
بازده های مربوط به کندوپاش، با زوایه ی برخورد یونی، تغییر می کند. Fetz اثر یون های برخورد کننده را در سال 1942 مورد بررسی قرار داد و بعدها، Wehner نیز این موضوع را به صورت جزئی تر، مورد بررسی قرار داد. فلزاتی مانند طلا، نقره، مس و سرب که دارای بازده کندوپاش بالایی هستند، اثرات زاویه ای اندکی از خود نشان می دهند. این بازده با افزایش زاویه ی برخورد، افزایش می یابد و میزان ماکزیمم این مقدار در زاویه ی 60 و 80 درجه، مشاهده می شود، این در حالی است که این بازده برای زوایای بزرگتر، به سرعت کاهش می یابد. اثر زاویه بوسیله ی ساختار سطحی هدف، تعیین می شود. مطالعات تئوری بوسیله ی برخی از محققین انجام شده است و جزئیات آن در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 8 توزیع زاویه ای مربوط به اتم های کندوپاش شده برای برخورد مورب یون هاست که بوسیله ی Okutani و همکارانش، را نشان می دهد.
توزیع زاویه ای مربوط به اتم های کندوپاش شدده برای بمباران با یون های نرمال، در گستره های انرژی مختلف یونی، نشان داده شده است. Seeliger و Sommermeyer این مقادیر را در ناحیه ی انرژی بالای 10 KeV، اندازه گیری کردند. این آزمایش ها پیشنهاد می دهد که توزیع زاویه ای از قانون کسینوسی نادسن پیروی می کند. این مورد در فرایند تبخیری گرمایی، مشاهده شده است. Wehner و Rosenberg توزیع زاویه ای را در ناحیه ی انرژی پایین تر (100 تا 1000 eV) مورد بررسی قرار دادند. این مورد در شکل 9 نشان داده شده است. بخش های هدف در مرکز یک سیلندر شیشه ای قرار داده شده است که این مسئله منجر به حفظ نوار شیشه ای در خارج از دیواره شده است. دانسیته ی مواد کندوپاش شده در کل 180 درجه ی این نوار، موجب می شود تا توزیع زاویه ای، بدست آید. نتایج نمونه وار این مسئله، در شکل 10 نشان داده شده است. این مسئله پیشنهاد می دهد که توزیع زاویه ای به صورت کسینوسی است یعنی بیشتر این موادها، به صورت حرکت به سمت خارج بوده است نه به سمت عمود بر سطح هدف. این توزیع در انرژی های بالا، به صورت توزیعی کسینوسی است. مولیبدن و آهن تمایل بیشتری به خروج از طرفین (نسبت به نیکل و پلاتین) دارند. در انرژی های بالاتر از 10 KeV، این توزیع حالتی فراتر از کسینوس دارد.

توزیع زاویه ای با مکانیزم کندوپاش در ارتباط است و همچنین در چندین کاربرد مانند طیف سنجی جرمی یون ثانویه (SIMS)، رسوب دهی کندوپاشی و اچ کندوپاشی، کاربرد دارد. توزیع زاویه ای به صورت جزئی و با استفاده از سیستم های کندوپاش باریکه ی یونی، مورد مطالعه قرار گرفته است.
ساختار کریستالی مربوط به هدف
این فهمیده شده است که بازده کندوپاش و توزیع زاویه ای مربوط به ذرات کندوپاش شده، بوسیله ی ساختار کریستالی سطح هدف، تحت تأثیر قرار می گیرد. همانگونه که می دانیم، توزیع زاویه ای ممکن است تحت قانون کسینوسی و یا فراکسینوسی، عمل کند. توزیع زاویه ای غیر یکنواخت اغلب در هدف های تک کریستالی، مشاهده می شود.
Wehner به صورت جزئی توزیع زاویه ی غیر یکنواخت مربوط به تک کریستال ها را مورد بررسی قرار داد و به الگوهای رسوب دهی ظاهر شده، پی برد. او پیشنهاد کرد که در نزدیکی آستانه، اتم های کندوپاش شده، از جهت متراکم تر، خارج می شوند. برای مثال، در نقره ی fcc، جهت متراکم تر، (110) است. وقتی یک هدف نقره ای (111) مورد کندوپاش قرار گیرد، یک الگوی متقارن آستانه، بوجود می آید زیرا، جهت متراکم تر، جهت (111) است.
جدول 4 نشاندهنده ی خلاصه ای از الگوهای تفرق یافته برای هدف تک کریستالی است.

در انرژی های یونی بالاتر، اتم های اضافی از موقعیت های بیشتری آزاد می شوند و این مسئله موجب می شود تا تداخلی در جهت ستون های متراکم تر، ایجاد شود. این مسئله موجب ایجاد انحراف از این جهات می شود.
اندازه گیری های مربوط به برخود یون آرگون به کریستال های fcc مانند مس، نقره، طلا و آلومینیوم، این ویژگی کلی را تأیید کرده است. در واقع بازده کندوپاش نشان می دهد که بازده در جهت (111) بیشتر از جهت پلی کریستال و در جهت پلی کریستال بیشتر از جهت (110) می باشد (این مورد در انرژی های برخورد پایین مشاهده می شود). روش های تئوری پیشنهاد می دهد که میزان بازده کندوپاش، به انرژی پیوند وابسته می باشد.
بازده کندوپاش برای کرستال های hcp و انرژی های چند کیلو الکترو ولتی، بدین صورت است: بازده در مورد منیزیم بدین صورت است: بازده در جهت (0001) بیشتر از جهت (1010) و در جهت (1010) بیشتر از جهت (1120) است. در مورد زیرکونیم، این بازده در جهت (1010) بیشتر از جهت (0001) و در جهت (0001) بیشتر از جهت (1120) است. در مورد روی و کادمیم، این بازده در جهت (0001) بیشتر از جهت (1010) و در جهت (1010) بیشتر از جهت (1120) است. میزان این بازده کندوپاش به میزان فواصل بین اتمی، مرتبط است. نتایج تجربی این مورد در شکل 11 نشان داده شده است.

چندین مدل برای توصیف وابستگی زاویه ای مربوط به بازده کندوپاش برای هدف های مونوکریستال، توسعه یافته است. از جمله این مدل ها، عبارتند از مدل شفافیت فلینت و مدل تمیزکاری Onderdelinden می باشد. شکل 12 نشاندهنده ی وابستگی زاویه ای مربوط به بازده کندوپاش است که برای جهت (111) مس اندازه گیری شده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Thin Film Materials Technology /Kiyotaka Wasa