پدیده ی کندوپاش (2)

بازده کندوپاش مربوط به آلیاژها

آزمایش های نشان می دهد که ترکیب شیمیایی مربوط به لایه ی رسوب کرده از اهداف آلیاژی، مشابه با ترکیب هدف مورد استفاده است. این پیشنهاد می دهد که کندوپاش، بوسیله ی فرایندهای گرمایی تحت تأثیر قرار نمی گیرد اما فرایند تحت تأثیر فرایند انتقال ممنتوم است. وقتی دمای هدف، به حدی بالاست که ترکیب شیمیایی هدف آلیاژی به دلیل نفوذ گرمایی تغییر کند، لایه ی منتج شده، دارای ترکیب شیمیایی متفاوتی است. تحت دماهای بالاتر زیرلایه، لایه ی منتج شده، ترکیب شیمیایی مختلفی از خود نشان می دهد که علت آن تبخیر مجدد لایه ی رسوب کرده، می باشد.
چندین آلیاژ مانند پرم آلوی و آلیاژهای نیکل- کروم، از روش کندوپاشی، تولید می شوند. Flur و Riseman فهمیدند که لایه ی کندوپاش شده از یک هدف پرم آلوی، دارای ترکیب مشابه با هدف می باشد.
Patterson و Shirn پیشنهاد کرده اند که ترکیب هدف نیکل- کرومی مشابه با لایه ی کندوپاش شده، می باشد. شرایط کندوپاش موجب می شود تا ترکیب لایه ی ایجاد شده، تغییر کند. ارتباط میان ترکیب هدف ها و لایه های رسوب داده شده، باید مورد مطالعه قرار گیرد.
طبیعت تغییر ایجاد شده در هدف آلیاژی نیز مهم می باشد. Patterson نشان داده است که تغییر در ترکیب سطحی در حین رسوب دهی کندوپاشی یک هدف آلیاژی دوتایی که حاوی عناصر A و B است، به صورت زیر می باشد:

برای مثال، کندوپاش آلیاژ نیکل- 20 کروم را که با استفاده از یون های آرگون با انرژی 600 eV انجام می شود را در نظر بگیرید، بازده کندوپاش برای نیکل ( ) برابر 1.5 اتم بر یون و برابر کروم، برابر با 1.3 است. دانسیته ی سطحی ( ) نیز برابر با است. اگر باشد، ثوابت زمانی برابر با 250 msec می شود. برای رسوب دهی، ثابت زمانی محاسبه شده، کوتاه تر از زمان کندوپاش است. این مسئله در معادله های بالا قابل مشاهده می باشد.
رسوبات لایه ای برای عناصر A و B، به ترتیب به صورت

و

بیان می شود. سپس نرخ ترکیب هر گونه از مواد رسوب داده شده، در حالتی تعیین می شود که t به سمت بی نهایت می رود. در این حالت:

معادله ی بالا پیشنهاد می دهد که لایه ی کندوپاش شده، در حالت پایدار و زمای که نفوذ حالت جامد در هدف، ناچیز باشد، باید دارای ترکیبی مشابه با ترکیب هدف باشد. در دماهای معمولی، یک چنین نفوذی، مهم نیست.
Liau فهمید که تغییر سطحی ترکیب هدف برای آلیاژهای پلاتین و سیلیکون از معادله های بالا بدست می آید. او ترکیب سطحی را با استفاده از روش تفرق بازگشتی Rutherford اندازه گیری کرد و نشان داد که سیلیکون، که دارای بازده کندوپاش عنصری پایینی است، به صورت ترجیحی کندوپاش می شود. بعد از کندوپاش، پلاتین دارای بازده عنصری بالایی است که در سطح هدف، غلظت آن افزایش می یابد.

جدول 1 نشاندهنده ی ترکیب حالت پایدار از لایه های سطحی برای کندوپاش آلیاژ پلاتین/ سیلیکون است که در ولتاژ 40 KeV انجام شده است. این پیشنهاد شده است که این پدیده بطور عمده در آلیاژهایی مشاهده می شود که ترکیب سبک و سنگین در آن وجود دارند. در این حالت، عنصر سنگین تر، در لایه ی سطحی غنی تر است.
Haff پدیده ی غنای لایه های سطحی را مورد مطالعه قرار داد و پیشنهاد کرد که این پدیده، به آبشار برخورد میان دو گونه از آلیاژهای دوتایی موجود در لایه ی سطحی، وابسته می باشد. Tarng و Wehner نشان دادند که تغییر سطحی مربوط به آلیاژ Cu-Ni، از معادله های بالا بدست می آید، با این وجود کهه مس، بسیار سنگین تر از نیکل، است.

همانگونه که در بالا بدان اشاره شد، تغییر ترکیب سطح هدف، پیچیده است. ترکیب لایه ی آلیاژی کندوپاش شده، عموماً برابر ترکیب هدف است. این مسئله زمانی مشاهده می شود که هدف در طی رسوب دهی، سرد شود. جدول 2 نشاندهنده ی برخی مثال ها از ترکیب شیمیایی لایه ی آلیاژی کندوپاش شده بوسیله ی کندوپاش مگنترونی معمولی است.

اتم های کندوپاش شده

ویژگی های اتم های سطحی کندوپاش شده

در سیستم کندوپاش معمولی، اتم های کندوپاش شده، عموماً از اتم های منفرد خنثایی تشکیل شده اند که در هدف، وجود دارد. در زمان کندوپاش این اتم ها با استفاده از بمباران با یون های سنگین، این اتم ها جداسازی می شوند. این اتم های کندوپاش شده، عموماً به صورت جزئی یونیزه می شوند. این مسئله در ناحیه ی تخلیه ی یونی مربوط به سیستم کندوپاش شده، مشاهده می شود.
Woodyard و Cooper ویژگی های مربوط به اتم های Cu کندوپاش شده تحت بمباران با یون های آرگون با انرژی 100 eV را مورد مطالعه قرار دادند. این کار با استفاده از طیف سنج جرمی انجام شده است. آنها فهمیدند که 95 % از اتم های کندوپاش شده، از اتم های مس منفرد، تشکیل شده اند و بقیه نیز مولکول های هستند.
تحت انرژی بالای یون برخورد کننده، خوشه های اتمی نیز در جریان کندوپاشی، یافت می شوند. Herzog نشان داده است که اتم های کندوپاش شده، از خوشه هایی با ترکیب هستند. این مورد زمانی مشاهده می شود که هدف آلومینومی با یون های آرگونی بمباران شود که انرژی آنها برابر با 12 keV می باشد. تحت بمباران با یون های زنون، خوشه هایی با ترکیب یافت می شود.
برای یک هدف آلیاژی، ویژگی های مربوط به اتم های کندوپاش شده، مشابه با هدف های تک عنصری است. تحت انرژی های یونی پایین، بیشتر اتم های کندوپاش شده، از عناصر منفرد آلیاژی، تشکیل شده اند. خوشه ها، در زمانی غالب هستند که انرژی یونی بالاتر از 10 keV باشد.

سرعت و طول پویش آزاد

سرعت اتم های کندوپاش شده

انرژی متوسط مربوط به اتم های خنثی کندوپاش شده، بسیار بیشتر از اتم هایی است که به صورت گرمایی و تحت خلأ تبخیر شده اند. Guenthershulze و Mayer و Spron ابتدا انرژی بالا را برای اتم های کندوپاش شده، مشاهده کردند.
Wehner سرعت مربوط به اتم های کندوپاش شده را به صورت جزئی، مورد بررسی قرار دادند. او سرعت را با استفاده از یک تعادل کوارتزی، اندازه گیری کردند (شکل 1). یک پلاسمای جیوه ای با فشار پایین در میان یک آند و کاتد حاوی حوضچه ی جیوه ای، حفظ می شود. یک تعادل مارپیچ کوارتزی با قطعه ی کوارتزی پهن موجود می باشد که در بخش بالایی تیوب، در حالت تعادل می باشد. وقتی اتم های کندوپاش شده بر روی سطح زیری قطعه ی کوارتزی پهن، رسوب داده می شود، اتم ها نیروی ایجاد می کنند که موجب می شود بخش کوارتزی در فاصله ای معین قرار گیرد. با بررسی این فاصله، می توان متوسط سرعت نرمال مربوط به سطح قطعه ی کوارتزی را محاسبه کرد. رسوب دهی پیوسته موجب می شود تا وزن مربوط به قطعه ی کوارتزی، با گذر زمان، افزایش یابد و این قطعه به موقعیت اولیه ی خود باز گردد. وقتی بازده های زمانی این کار، اندازه گیری شود، می توان میزان سرعت رسوب دهی، اندازه گیری شود.
روش تعادل کوارتزی، همچنین برای تعیین متوسط سرعت ذرات تبخیر شده در خلأ مورد استفاده قرار می گیرد. Wehner متوسط سرعت را با استفاده از این روش، اندازه گیری کرد و متوسط این سرعت را برای پلاتین، طلا، نیکل و تنگستن بدست آورد. در این آزمون، یون های جیوه با سرعتی در حد چند صد الکترون ولت، به هدف برخورد کردند. در این حالت، انرژی کینتیکی 100 برابر انرژی تبخیر گرمایی می باشد.
روش کالوریمتری و روش زمان معلق بودن در هوا، همچنین برای تعیین انرژی متوسط مربوط به اتم های کندوپاش شده، استفاده شده اند. در مورد روش کالریمتری، دمای زیرلای به دلیل برخورد اتم های کندوپاش شده، افزایش می یابد و بدین صورت، انرژی متوسطی، اندازه گیری می شود. به هر حال، این روش، باید حرارت مربوط به کندانس شدن گونه های پر انرژی را محاسبه کند. به هر حال، داده های جزئی تر، با روش زمان معلق بودن در هوا ، اندازه گیری می شود.

شکل 2 نشاندهنده ی آزمایشی است که بوسیله ی Stuart و Wehner و برای اندازه گیری زمان معلق بودن در هوا، مورد استفاده قرار گرفته است. هدف در محفظه ای با فشار پایین در بین ولتاژ مثبت و منفی قرار می گیرد به نحوی که اتم ها از هدف، به صورت یک گروه، کندوپاش شوند. وقتی گروهی از اتم ها، در پلاسما، حرکت می کنند، این اتم ها تهییج می شوند و طیف خاص آنها، انتشار می یابد. توزیع انرژی بوسیله ی اندازه گیری زمان شیفت ایجاد شده در طیف انتشار یافته، بدست می آید.

نتایج نمونه وار برای یک هدف مسی، که بوسیله ی یون های کریپتون، کندوپاش شده اند، در شکل 3 نشان داده شده است. این نشان داده شده است که انرژی کینتیکی مربوط به اتم های کندوپاش شده، در گستره ی 0 تا 40 eV است. پیک توزیع انرژی در حالتی که ولتاژ چند ده الکترون ولت است، در واقع بیشتر از 1 eV است.
انرژی مربوط به اتم های کندوپاش شده، به گونه های برخورد کننده ی یونی و زاویه ی برخورد یون ها، بستگی دارد. نتایج نمونه وار مربوط به این مسئله در شکل 4 و 5 نشان داده شده است. یون های برخورد کننده ی به صورت مورب، توزیع انرژی را به سمت ناحیه ی با انرژی بالاتر، شیفت می دهد. شکل 6 نشاندهنده ی تغییر در انرژی متوسط مربوط به اتم های کندوپاش شده به همراه انرژی مربوط به یون های برخورد کننده، می باشد. توجه کنید که انرژی متوسط مربوط به اتم های کندوپاش شده، نشاندهنده ی یک وابستگی اندک به انرژی یون های برخورد کننده، می باشد. این مقدار در حدود 10 eV است.



این نتایج پیشنهاد می دهد که وقتی انرژی یون های برخورد کننده، افزایش یابد، اتلاف های انرژی ایجاد شده در هدف، افزایش می یابد به نحوی که انرژی یون های برخورد کننده، به اندازه کافی نیست که بتواند موجب انتقال مؤثر اتم های کندوپاش شده، شود. برای بمباران یون های سبک، یون ها، به سطح هدف نفوذ می کنند و بدین صورت، اتلاف انرژی آنها افزایش خواهد یافت. این مسئله موجب می شود تا توزیع انرژی به سطوح انرژی پایین تر، انتقال یابد.
در مورد یون های کندوپاش شده، متوسط انرژی آنها بالاتر از متوسط انرژی مربوط به اتم های خنثای کندوپاش شده است. این آزمایش به دلیل وجود یک میدان الکتریکی قوی در سطح هدف، پیچیده می باشد. این میدان قوی، موجب می شود تا یون های مثبت از سطح زیرلایه، ساتع شوند. یون های کندوپاش شده که از سطح هدف، ساتع می شوند، به طور قابل توجهی به یون های کندوپاش شده ی پر انرژی، محدود می باشد. در مورد آزمایش باریکه ی یونی که در آن یک میدان قوی در سطح کاتد، حضور ندارد، میزان یون های کندوپاش شده، در حد یک صدم اتم های کندوپاش شده است.
دانستن ترکیب شیمیایی و خواص کینتیکی مربوط به ذرات کندوپاش شده، یکی از مواد مهم در یادگیری مکانیزم کندوپاش، رشد لایه ی نازک و علوم سطحی می باشد. مطالعات گسترده ای بر روی کندوپاش ذرات انجام شده است. این مطالعات بر روی یونیزاسیون متعاقب بوسیله ی یک پلاسمای رزونانس سیکلوترونی الکترونی (ECR)، یونیزاسیون رزونانسی چند فوتونی (MPRI) و طیف سنجی فلورسانس القا شده با لیزر (LFS) می باشد.
از آنجایی که اکثر ذرات کندوپاش شده، به صورت ذرات خنثی کندوپاش می شوند، بیشتر آزمایشات بر روی روش های یونیزاسیون و تشخیص یون ها، پایه گذاری شده اند. ساده ترین روش، بر پایه ی یونیزاسیون متعاقب بوسیله ی باریکه ی یونی، پایه گذاری شده است. به هر حال، احتمال یونیزاسیون با یک روش تخمین زده می شود و مقدار آن در بهترین حالت، برابر با می باشد. یونیزاسیون متعاقب بوسیله برخورد الکترون در فشار پایین، موجب می شود تا گاز نجیب بوسیله ی پلاسمای ECR تهییج یابد به نحوی که اتم های کندوپاش شده، یونیزه می شود (مشابه روش MPRI). LFS همچنین یک روش جذاب برای یادگیری توزیع انرژی مربوط به ذرات کندوپاش شده، می باشد. سرعت مربوط به ذرات کندوپاش شده، بوسیله ی شیفت دوپلر مربوط به نور ساتع شده، اندازه گیری می شود. این وسایل در شکل 7 نشان داده شده است.


توزیع انرژی نمونه وار که بوسیله ی سیستم یونیزاسیون پلاسمای ECR اندازه گیری می شود، در شکل 8 نشان داده شده است. از لحاظ تجربی، وابستگی در شیب انرژی بالای مربوط به N(E) مشاهده شده است که نشاندهنده ی اعتبار این تئوری است.
مطالعه ی LFS پیشنهاد می دهد که تحت شرایط غیر ایزوتروپ مانند ناحیه ی انرژی پایین و برخورد مورب باریکه، تئوری ایزوتروپ کافی نیست. توزیع سرعت موجب می شود تا یک ناحیه ی داغ در مقایسه با مدل ایزوتروپ، ایجاد شود. توزیع انرژی و زاویه ی مربوط به ذرات کندوپاش شده، به صورت کامل بوسیله ی Hofer مطالعه شده است.

طول پویش آزاد

بیشتر اتم های کندوپاش شده، از میان محل تخلیه عبور می کنند و به صورت اتم های خنثی هستند. طول پویش آزاد آنها، پیش از برخورد آنها با مولکول های گازی، به صورت زیر می باشد:

که در اینجا، سرعت متوسط مربوط به اتم های کندوپاش شده و برابر با فرکانس برخورد میان اتم های کندوپاش شده و مولکول های گازی تخلیه شده می باشد. از آنجایی که سرعت ذرات کندوپاش شده، بزرگتر از سرعت مولکول گاز باشد،
به صورت زیر می شود:

که در اینجا، و
شع شعاع اتمی مربوط به اتم های کندوپاش شده و مولکول های گازی تخلیه شده، می باشد و دانسیته ی گاز تخلیه است. سپس، طول پویش آزاد، به صورت زیر می باشد:

در مورد بمباران یون آرگون بر روی هدف مسی، باید و ،
باشد، برابر با می شود. این مقادیر تخمین زده شده، اندکی طولانی تر از طول پویش آزاد مولکول های گازی در دمای اتاق می باشد.

مکانیزم کندوپاشدو مدل به صورت اصلی برای کندوپاش، پیشنهاد شده است:
1. تئوری تبخیر گرمایی: سطح هدف، به اندازه ی کافی گرم می شود تا بدین صورت تبخیر به دلیل بمباران یون های پر انرژی، انجام شود.
2. تئوری انتقال مومنتوم: اتم های سطحی مربوط به هدف، در زمانی که مومنتوم کینتیکی ذرات برخورد کننده، به اتم های هدف، انتقال می یابد، از سطح جدا می شوند.
تئوری تبخیر گرمایی بوسیله ی Hippel در سال 1926 پیشنهاد شده است. البته این تئوری بوسیله ی افرادی دیگر همچون Sommermeyer و Townes نیز مورد تأیید و استفاده قرار گرفته است. در این زمان، تبخیر گرمایی مهم ترین مکانیزم، تلقی می شده است.
تئوری انتقال مومنتوم، ابتدا بوسیله ی Stark در سال 1908 پیشنهاد شده است. این تئوری در سال 1934 بوسیله ی Compton مورد تأیید قرار گرفته است. مطالعات جزئی که بوسیله ی Wehner در سال 1956 انجام شده است، پیشنهاد می دهد که مهم ترین مکانیزم ، مکانیزم گرمایی نیست و در واقع مکانیزم انتقال مومنتوم است.
در حال حاضر، این اعتقاد وجود دارد که کندوپاش، بوسیله ی برخورد یک آبشار یونی به لایه ی سطحی مربوط به یک جامد، ایجاد می شود.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Thin Film Materials Technology /Kiyotaka Wasa