سیستم های کندوپاش (1)

در این مقاله قصد داریم تا ساختار سیستم های کندوپاش مختلف را مورد بررسی قرار دهیم. این مقاله می تواند بوسیله ی بخش صنعت و دانشگاه، مورد استفاده قرار گیرد.
چند سیستم کندوپاش برای اهداف لایه ی نازک، وجود دارد. طراحی این سیستم ها در شکل 1 آورده شده است. در بین این سیستم های کندوپاش، مدل اصلی سیستم کندوپاش دیودی dc است. سایر سیستم های کندوپاش، در واقع بهبود یافته ی این سیستم هستند.

کندوپاش دیودی DC

سیستم کندوپاش دیودی dc، از یک جفت الکترود تشکیل شده است. یکی از الکترودها، کاتد سرد است و دیگری، آند محسوب می شود. سطحی از کاتد که متحمل پلاسما می شود، با مواد هدف پوشیده می شود و سمت دیگر، با آب سرد می شود. زیرلایه ها نیز بر روی آند قرار داده می شود. وقتی محفظه ی کندوپاش در فشاری معادل 0.1 torr گاز آرگون باشد و ولتاژ dc معادل چند کیلو ولت به همراه یک مقاومت سری متغیر بین 1 تا 10 کیلو اهم به همراه الکترودها، باشد، تخلیه ی درخشان، شروع می شود. یون های آرگون در تخلیه ی درخشان، از سمت کاتد به سمت آند کشیده می شود و کندوپاش آغاز می شود. این مسئله منجر می شود تا یک لایه ی نازک بر روی زیرلایه تشکیل شود.
در سیستم دیودی dc، ذرات کندوپاش شده، با مولکول های گاز برخورد می کند و سپس نفوذ بر روی زیرلایه رخ می دهد. این مسئله به این دلیل است که فشار گاز به اندازه ی کافی بالاست و همچنین طول پویش آزاد ذرات کندوپاش شده نیز کمتر از فضای الکترود می باشد. میزان مواد کندوپاش شده بر روی ناحیه ی سطحی W به صورت زیر محاسبه می شود:
و نرخ رسوب دهی (R) به صورت زیر بدست می آید:
در حالی که یک مقدار ثابت است، مقدار ذرات کندوپاش شده از ناحیه ی کاتدی می باشد. p فشار گاز تخلیه، l فاصله ی الکتروده و t زمان کندوپاش می باشد.
مقدار ذرات رسوب داده شده از ناحیه ی کاتدی ( )، برابر است با:
که در اینجا، دانسیته ی جریان یونی در کاتد می باشد، e بار الکترون است، S بازده کندوپاش، A وزن اتمی مربوط به مواد کندوپاش شده و N عدد آواگادرو می باشد.
با فرض اینکه جریان یونی برابر با جریان تخلیه ( ) باشد، بازده کندوپاش، با ولتاژ تخلیه ی ( ) در ارتباط است بنابراین، رسوبات کندوپاش شده، با قابل مقایسه می باشد.

کندوپاش دیودی RF

با جایگزینی ساده ی یک هدف عایق به جای هدف فلزی در یک سیستم کندوپاش دیودی dc، تخلیه ی درخشان کندوپاش، پایدار نمی ماند که علت این مسئله، تجمع فوری بارهای سطحی بر روی سطح عایق می باشد.
برای حفظ تخلیه ی درخشان در حالت استفاده از هدف های عایق، منبع برق dc با یک منبع برق rf جایگزین می شود. این سیستم سیستم کندوپاش rf نامیده می شود. Robertson و Clapp در سال 1933، کندوپاش را در تخلیه ی rf مشاهده کردند. آنها فهمیدند که سطح شیشه ی تیوب تخلیه، در طی تخلیه ی rf، متحمل کندوپاش قرار می گیرد.
در دهه ی 1960، کندوپاش در تخلیه ی rf برای رسوب دهی لایه های نازک دی الکتریک، مورد استفاده قرار گرفت. سیستم کندوپاش rf جایگاه مهمی را در رسوب دهی لایه های نازک، دارا می باشد. یک سیستم کندوپاش نمونه وار در شکل 2 آورده شده است.
2
سیستم کندوپاش دیودی rf نیازمند یک شبکه ی تطابق امپدانس میان منبع تغذیه و محفظه ی تخلیه می باشد. یک شبکه ی نمونه وار برای ایجاد تطبیق در امپدانس، در شکل 3 نشان داده شده است. امپدانس مربوط به منبع تغذیه همواره مقاومت 50 اهم دارد. امپدانس مربوط به تخلیه ی درخشان نیز در حد 1 تا 10 کیلواهم است. در سیستم کندوپاش دیودی rf، دانسیته ی جریان کاتدی به صورت زیر است:
که در اینجا، C ظرفیت میان پلاسمای تخلیه شده و هدف است. همچنین نشاندهنده ی تغییر زمانی مربوط به پتانسیل سطح هدف می باشد. این مسئله نشاندهنده ی افزایش فرکانس با افزایش جریان یونی کاتد می باشد. در سیستم های واقعی، فرکانس مورد استفاده 13.56 MHz است.
توجه کنید که در سیستم تخلیه ی rf ، فشار عملیاتی در حد 1 میلی تور است زیرا میدان الکتریکی rf در محفظه ی تخلیه، موجب می شود تا احتمال برخورد میان الکترون های ثانویه و مولکول های گازی را افزایش دهد. در سیستم کندوپاش rf، یک خازن بلوک کننده، به شبکه ی تطابق و هدف، وصل می شود. مساحت هدف نسبت به مساحت سطح محفظه و آند، کوچکتر است.
شکل 4 یک تصویر از هدف مورد استفاده از کندوپاش در طی رسوب دهی می باشد. در سیستم های کندوپاش rf، هدف و القاگر موجود در شبکه ی تطابقی، همواره با آب سرد می شوند. مقاومت الکتریکی مربوط به آب سرد کننده، به اندازه ی کافی بالاست که به عنوان یک عایق الکتریکی عمل کند.

کندوپاش مگنترونی

کندوپاش فشار پایین یکی از بهترین روش ها در تولید وسایل حاوی لایه ی نازک می باشد. یک گستره ی وسیع از لایه های نازک می تواند با استفاده از این روش تولید شوند که در این حالت، نرخ رسوب دهی بالا و میزان ناخالصی اندک است.
در سال 1935، Penning ابتدا کندوپاش فشار پایین را مورد مطالعه قرار داد که در آن، یک میدان مغناطیسی عرضی با تیوب تخلیه ی درخشان dc ترکیب شد (شکل 5).
سیستم تجربی از الکترودهای استوانه ای هم محور تشکیل شده اند که در آن، یک میدان مغناطیسی محوری وجود دارد، مشابه با مگنترون کاتدی سرد. او فهمید که قرارگیری میدان مغناطیسی 300 G موجب می شود تا فشار گاز کندوپاش شده، به میزان 10 برابر کاهش یابد و نرخ رسوب دهی لایه ی نازک، افزایش یابد. به هر حال، این نوع از سیستم ها، در صورت عملی، مورد استفاده قرار نگرفته اند.
در اوایل دهه ی 1960، کندوپاش مگنترونی دوباره به صورت یک فرایند جذاب برای پوشش دهی مطرح شد. Kay تخلیه ی درخشان را در حضور میدان مغناطیسی و رسوب دهی لایه ی نازک، مورد بررسی قرار داد. او فهمید که یک میدان مغناطیسی چهارقطبی موجب افزایش دانسیته ی جریان یونی در کاتد می شود و بدین صورت، نرخ رسوب دهی، افزایش می یابد. ساختار الکترودی با میدان مغناطیسی چهارقطبی، در شکل 6 نشان داده شده است. Gill و Kay یک سیستم کندوپاش مگنترونی معکوس پیشنهاد کردند و نشان دادند که فشار گاز کندوپاش می توان به حد پایین آید. این میزان بسیار کمتر از سیستم های کندوپاش معمول آن زمان بود. آنها از مگنترون معکوس برای رسوب دهی لایه های نازک ابر رسانا، استفاده کردند. شدن میدان مغناطیسی در این جا، چند صد گوس بود و حالت PSC در تخلیه ی کندوپاشی، غالب بود.
HayakawaHayakawa و Wasa همچنین این نوع از تخلیه را برای ایجاد پلاسمای چرخشی جریان بالا و برای گداخت هسته ای، مورد استفاده قرار دادند. آنها همچنین اثر میدان مغناطیسی معکوس را بر روی حالت تخلیه ی درخشان، عدم پایداری پلاسما و کندوپاش کاتدی، مورد بررسی قرار دادند. آنها فهمیدند که حضور میدان مغناطیسی قوی، موجب می شود تا کندوپاش کاتدی، بهبود یابد. در تخلیه ی درخشان، حالت تخلیه از حالت PSC به حالت NSC تغییر می کند. این مسئله موجب کاهش ارتفاع آند می شود. آنها ابتدا سیستم کندوپاش صفحه ای را به همراه کویل های مارپیچ، پیشنهاد کردند. شکل 7 نشاندهنده ی ساختار این سیستم می باشد. ساختار مگنترون صفحه ای برای رسوب دهی لایه های نازک، متداول می باشد (در مقایسه با پیکربندی استوانه ای). مگنترون صفحه ای اولیه، بر اساس اصلاحاتی ساخته می شود که بر روی سیستم گداخت هسته ای، انجام شده است. این وسایل در شکل 8 نشان داده شده است. به هر حال، در دهه ی 1960، این نوع از سیستم های کندوپاش مگنترونی، در عمل، مورد استفاده قرار نگرفتند.

در دهه ی 1970، Clarke یک سیستم مگنترونی تجربی را توسعه داد. این سیستم، تفنگ S نامیده می شود. در واقع این سیستم، یک ساختار اصلاح شده از یک مگنترون استوانه ای است که در شکل 9 ساختار آن قابل مشاهده می باشد. سیستم کندوپاش صفحه ای توسعه یافته بوسیله ی Chapin نیز در شکل 10 نشان داده شده است.


کارهای بعدی بر روی کندوپاش مگنترونی صفحه ای بوسیله ی Thornton انجام شده است. کندوپاش مگنترونی به طور گسترده ای برای تولید مدارهای مجتمع و انواع مختلف فرایندهای پوشش دهی، مورد استفاده قرار گرفته است. امروزه، این تکنولوژی در صنایعی همچون میکرو الکترونیک، صنعت اتومبیل، شیشه های تزئینی و پوشش های سخت، کاربرد دارد.دو نوع ادو نوع از سیستم های کندوپاش مگنترونی به صورت گسترده در پوشش دهی لایه ی نازک، مورد استفاده قرار می گیرد. یکی نوع استوانه ای و دیگری نوع صفحه ای می باشد. ساختار نمونه وار کاتد این سیستم در شکل 11 نشان داده شده است. در داخل هدف کاتدی، آهنرباهای دائمی به گونه ای قرار داده می شوند که میدان مغناطیسی در حد چند صد گوس باشد. تخلیه ی درخشان در ناحیه ی با تمرکز مغناطیس بالا، ایجاد می شود بنابراین، یک درخشش کاتدی مدور، در اینجا، مشاهده می شود (شکل 12). سطح کاتد، غیر یکنواخت است که علت آن، درخشش کاتدی مدور است. این مسئله موجب کوتاه شدن طول عمر هدف کاتدی می شود. چند نوع از هدف های مگنترونی بهبود یافته، پیشنهاد شده است که شامل یک هدف مگنترونی با چند هدف متحرک می باشد. در این حالت، ناحیه ی خوردگی یکنواخت می شود و همچنین طول عمر هدف افزایش می یابد (شکل 13).



در یک زمان، منابع کندوپاش مگنترونی استفاده های محدودی داشته است. این مسئله زمانی رخ می دهد که مواد هدف مغناطیسی برای رسوب دهی مورد استفاده قرار می گیرد. Chopra و Vankar یک کاتد کندوپاشی طراحی کرد و ساخت و علاوه بر این، لایه ی رسوب داده شده، به صورت یکنواخت می باشد بدون آنکه چرخشی در زیرلایه ها، اتفاق افتد. این هندسه می تواند همچنین به همراه مواد مغناطیسی مورد استفاده قرار گیرد. شکل 14 نشاندهنده ی ساختار منبع کندوپاش مگنترونی صفحه ای که بوسیله ی Chopra و همکارانش طراحی شده است. این سیستم شامل یک کاتد سرد شوند بوسیله ی آب (A) می باشد که از جنس مس است و بر روی آن، هدف صفحه ای (B) قرار داده می شود. کاتد از یک محفظه ی آلومینیومی آب گرد (C) تشکیل شده است که یک جداکننده ی تفلونی بین آن قرار گرفته است. هدف در خارج از این صفحه، قرار داده می شود. کل سیستم بر روی یک صفحه ی فولادی قرار گرفته است که این بخش نیز در یک بخش شیشه ای قرار داده شده است که در آن،کندوپاش اتفاق می افتد. ولتاژ تخلیه بین 300 تا 800 ولت است که در این حالت، بازده کندوپاش ماکزیمم بر واحد انرژی بدست می آید.

در حال حاضر، فرایند کندوپاش به صورت گسترده برای رسوب دهی مواد مغناطیسی مورد استفاده قرار می گیرد. این سیستم می تواند بهبود یابد. این بهبود با استفاده از آهنرباهای دائمی تولید شده از خاک های نادر، انجام می شود.در سیستمدر سیستم کندوپاش مگنترونی، فشار کاری بین تا بوده است و ذرات کندوپاش شده، از محل تخلیه عبورمی کند بدون آنکه برخوردی در آن ایجاد شود. بنابراین، نرخ رسوب دهی (R) به صورت زیر بیان می شود:
که در اینجا، k=1 برای سیستم صفحه ای و برای سیستم استوانه ای، .
شعاع کاتدی و شعاع آندی است و مقدار ذرات کندوپاش شده است که قابلیت محاسبه دارد. نتایج تجربی نمونه وار برای سیستم کندوپاش مگنترونی در شکل 15 نشان داده شده است.

در مگنترون صفحه ای سنتی، شار مغناطیسی بر روی سطح کاتد، به مرکز مغناطیسی محدود می شود (شکل 16a). این مگنترون، مگنترون تعادلی نامیده می شود. وقتی یک شار مغناطیسی اضافی به این سیستم اضافه شود (شکل 16b)، این مگنترون، مگنترون غیر تعادلی نامیده می شود. در مگنترون تعادلی، الکترون های پر انرژی از تله ی مغناطیسی نزدیک به سطح کاتد، فرار می کند. این الکترون ها، به سمت آند حرکت می کند. در مگنترون غیر تعادلی، خطوط میدان مغناطیسی اضافی، الکترون های پر انرژی در حال فرار را به دام می اندازد و این الکترون ها، موجب برخوردهای یونیزه کننده می شوند. پلاسمای ثانویه در نزدیکی سطح زیرلایه ایجاد می شود. شار برخورد کننده از ذرات یونیزه، موجب افزایش مگنترون غیر تعادلی می شود. شار یونیزه ی برخوردی موجب اصلاح فرایند رشد لایه می شود، مشابه با فرایند رسوب دهی با کمک یون. مگنترون غیر تعادلی، برای رسوب دهی واکنشی اکسیدها و نیتریدها بر روی زیرلایه های فلزی و تحت شرایط بایاس، مفید می باشند، از آنجایی که جریان یونی ایجاد شده بر روی زیرلایه، به دلیل یونیزاسیون پلاسمای ثانویه، افزایش یابد. دانسیته ی جریان یونی بالا، موجب افزایش واکنش شیمیایی در زیرلایه و در طی رشد لایه می شود.
چندین نوع از کاتدهای کندوپاش متراکم تر که حاوی مگنترون غیر تعادلی است، به صورت تجاری توسعه داده شده است. کاتدهای مگنترونی نمونه وار در شکل 17 نشان داده شده است. این کاتدهای کندوپاش متراکم، شبیه به تفگ کندوپاش هستند. سیستم رسوب دهی کندوپاشی تنها با قرارگیری کاتد کندوپاشی در میان یک فلنچ مسطح خلأ و یک محفظه ی خلأ تولید می شوند.
سایر کاتدهای مگنترونی اصلاح شده، سیستم های کندوپاشی است که به صورت القایی با پلاسما ، ترکیب شده اند (شکل 18). پیچه ی rf موجب تولید پلاسما می شود و موجب بهبود یونیزاسیون کاتد مگنترونی می شود (شکل 18a). فشار کاری مربوط به سیستم کندوپاش مگنترونی اصلاح شده، در حد تور است. فشار کاری ده برابر کمتر از فشار موجود در سیستم کندوپاش مگنترونی تعادلی است. ساختار و تخلیه ی کندوپاش مربوط به کاتد مگنترونی اصلاح شده، در شکل 18b نشان داده شده است. ارزیابی درجای رشد کریستالی لایه ی نازک بوسیله ی RHEED تحت فشار عملیاتی پایین، موجود می باشد. این نوع از سیستم ها، توزیع ضخامت یکنواختی دارد و برای رسوب دهی مواد مغناطیسی بسیار نازک و یا ساختارهای لایه ای، مناسب می باشند. ذرات یونیزه شده، موجب بهبود خواص فیزیکی و یا شیمیایی مربوط به لایه های کندوپاش شده، می شود، مخصوصاً در مورد مگنترون غیر تعادلی.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Thin Film Materials Technology /Kiyotaka Wasa