بررسی لایه ­نشانی به روش کندوپاش

مقدمه
پیشرفت های گسترده ای در فناوری لایه های نازک روی داده است که در بخش های مختلف صنعت کاربرد گسترده ای دارد. تا به امروز روش های مختلفی برای ساخت لایه های نازک معرفی شده است که روش کندوپاش (Sputtering) یکی از انواع روش های لایه نشانی فیزیکی بخار Vapor محسوب می شودکه لایه نشانی فیزیکی بخار نیز به نوبه خود جز روش های لایه نشانی در خلا است.  در روش کندوپاش، برای این که ماده منبع به فاز بخار خود منتقل شود، از بر هم کنش فیزیکی ذره هایی که به ماده منبع یا هدف (target) برخورد می کنند استفاده کرد. ماده هدف که به ولتاژ منفی متصل است، نقش کاتد را دارد. با بمباران و برخورد ذرات پر انرژی به سطح هدف، اتم ها یا مولکول های آن از سطح جدا شده و به بیرون پرتاب می شوند و درمیدان ایجاد کننده پلاسما شتاب می‌گیرند. زیرلایه به ولتاژ مثبت متصل است و در واقع آند است و لایه ای از جنس هدف روی آن انباشت می شود. این روش برای ایجاد پوشش و ساخت لایه های نازکی که کاربردهای مانند اپتیکی، ذخیره سازی مغناطیسی دارند، استفاده می شود. در فرآیند کندوپاش، در اثر تخلیه الکتریکی و یونیزاسیون گازی که به داخل محفظه کندوپاش وارد شده است، یون های مثبت ایجاد می شوند، این یون ها به سطح هدف برخورد و با انتقال انرژی و تکانه به آن، اتم هایی را از سطح هدف جدا می کنند که هدف را با مقادیر مشخصی از انرژی ترک می کنند. سپس این اتم ها در محیط خلا به سمت زیرلایه حرکت کرده و بر روی آن جمع می­شوند و در نتیجه یک لایه نازک ایجاد می شود [1].

تاریخچه اسپاترینگ
اگرچه پدیده کندوپاش برای اولین بار در دهه 1850 میلادی مشاهده شد، تا حدود یک قرن تنها به صورت یک مشاهده علمی باقی مانده و در دهه 1940 میلادی بود که برای اولین بار از روش اسپاترینگ دیودی (Diode Sputtering) به صورت جدی به عنوان یکی از روش ‏های تجاری فرایند پوشش‏ دهی استفاده شد. البته خود این روش نیز دارای نقطه ضعف بزرگی بود که شامل نرخ لایه نشانی بسیار پایین آن بود و همچنین از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نبود که تنها برای کاربردهای خاصی مورد استفاده قرار می‏ گرفت. بعدها در اواسط دهه 1970 میلادی روشی توسعه یافته برگرفته از کندوپاش دیودی به نام کندوپاش مغناطیسی (Magnetron Sputtering) معرفی شد.[2]

شرح اسپاترینگ
اسپاترینگ یا کندوپاش فرآیندی است که در آن اتم ‏ها یا مولکول‏ های یک ماده توسط بمباران ذرات پرانرژی، از هدف یا تارگت جدا می شوند. پوشش دهی با روش کندوپاش از فرایندهای مستلزم خلأ محسوب می ‏شود. در این فرآیند ابتدا محفظه به ترتیب توسط پمپ‏ های چرخشی  و سپس پمپ پخشی  یا توربومولکولار  تخلیه می‏ شود. متداول‌ترین ‏شیوه برای فراهم کردن یون و تولید پلاسما، عبور مداوم گازی مانند آرگون در محفظه است، که موجب می‏ شود خلأ کمی شکسته ‏شود. با برخورد الکترون به اتم‌های گاز آرگون، این اتم‌ها به الکترون‌هایی با بار منفی و یون‌هایی با بار مثبت تجزیه می‌شوند که به همین ترتیب الکترون‏ های اولیه و الکترون‌های ثانویه‌ای که در اثر یونیزاسیون تولید شده‌اند، دوباره در یونیزه کردن سایر اتم‌های گاز شرکت می‌کنند و پلاسما یا قوس ‏درخشان شکل می‌گیرد. پلاسما با منبع تغذیه DC یا RF ایجاد می‏ شود. چنانچه ولتاژ منبع تغذیه DC باشد کندوپاش مستقیم نام دارد که ولتاژ اعمال شده به قطب‏ ها ثابت بوده و تغییری نمی‏ کند که از این مد، برای لایه نشانی فلزات استفاده می‏ شود. کاتد را معمولاً به پایانه منفی منبع تغذیه وصل می‏کنیم که حدود 5 کیلو ولت به آن اعمال می‏ شود. در مقابل کاتد، زیرلایه یا آند قرار دارد که به زمین وصل می‏ شود. هر چه اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند بیشتر شود، انرژی الکترون‏ ها بیشتر شده و در راه رسیدن به آند با برخورد با سایر اتم‏ ها الکترون و یون‏ های بیشتری تولید می‏ کنند. در نهایت الکترون‏ ها به سمت آند و یون‏ ها به سمت کاتد حرکت کرده و به تارگت برخورد می‏ کنند. بمباران توسط یون‏های مثبتی که از تخلیه الکتریکی در یک گاز (مانند آرگون) بوجود می‏ آیند انجام می‏ گیرد. یون‏ها در برخورد به تارگت می ‏توانند:
1. الکترون ثانویه تولید کنند (در حالتی که یون‏ ها انرژی کمی دارند).
2. برخورد کرده برگردند..
3. از تارگت اتم بکنند.
4. در انرژی‏های بالاتر می‏ توانند جزئی از ماده شوند.
الکترون‏های ثانویه و الکترون‏ های بازگشتی به سمت پایین برگشته و در برخورد به مولکول‏ های گازی، الکترون‏ ها و یون‏ های بیشتری تولید می‏ کنند. در نهایت اتم‏ های کنده شده از تارگت بصورت پراکنده حرکت کرده و در میدان ایجاد کننده پلاسما شتاب گرفته و روی زیرلایه قرار می‏ گیرند. برای اینکه بتوان از کندوپاش به عنوان روشی مناسب برای پوشش دهی استفاده کرد چند نکته باید رعایت شود. اول اینکه باید یون‏ هایی با انرژی کافی به وجود آیند و به سمت سطح هدف هدایت شوند تا اتم‏ های هدف را جدا کنند. دوم، اتم‏ های جدا شده باید قابلیت این را داشته باشند که آزادانه و با حداقل مقاومت در برابر حرکتشان به سمت زیرلایه‏ هایی که قرار است پوشش دهی شوند حرکت کنند. یون‌های شتابدار، انرژی جنبشی بسیار بالایی دارند که رسیدن به این انرژی با حرارت دادن امکان پذیر نیست. سوم، فشار مناسب برای حرکت آزادانه اتم‏ ها در گاز 1 پاسکال (10-2 میلی بار) و پایین‏تر می باشد. در بالاتر از این فشار، اتم‏ های هدف برخورد بسیار زیادی با مولکول‏ های گاز خواهد داشت و نرخ پاشش بسیار پایین می آید. از طرفی فشار گاز باید در حدی باشد که یون‏ های با انرژی کافی برای ایجاد پلاسما جهت بمباران هدف به وجود آیند. از مد RF نیز برای لایه‏ نشانی از تارگت غیر فلزی مورد استفاده قرار می‏ گیرد. در این روش یک فرکانس متناوب روی آند اعمال می‏ شود. با حرکت الکترون‏ ها به آند و نزدیک شدن به آن، جای قطب‏ ها عوض شده و الکترون ها دوباره در جهت برعکس حرکت کرده و با این روش احتمال برخورد الکترون با اتم‏ های آرگون و در نهایت تولید الکترون‏ های ثانویه بیشتر می‏ شود.

مزایای کندوپاش
از مزایای کندوپاش این است که م هر ماده ای می­تواند به این روش تبخیر و لایه­نشانی شود همچنین بسیاری از مواد که طی یک فرایند شیمیایی قابل تولید نیستند و یا برای تبخیر حرارتی به حرارت ‏زیادی نیاز دارند، با استفاده از روش کندوپاش می‌توانند لایه نشانی شوند.

معایب
در حین لایه نشانی به روش کندوپاش، سطح لایه می‌تواند به وسیله یون‌های پرانرژی بمباران شود که به خاطر صدمه رساندن و یا کنده شدن اتم‌های سطحِ لایه تشکیل شده روی زیرلایه، اتفاق خوشایندی محسوب نمی‌شود. به منظور کاهش برخورد یون‌های منفی و کاهش اثر آنها دو رهیافت وجود دارد:
1-استفاده از فشار بالای گاز که در اثر برخوردهای ناخواسته یون‌های منفی با اتم‌ها و یون‌های محیط پلاسما، انرژی آنها کاهش یابد .
2-کندوپاش بدون محور که زیرلایه در راستای هدف قرار ندارد.
این روش برای ایجاد لایه‌های نازک ابر رسانا در دماهای بالا به کار گرفته می‌‌شود از معایب آن کاهش سرعت لایه نشانی و محدودیت در استفاده برای زیرلایه‌های بزرگ است.[4]

از آن جایی که مواد فرومغناطیس قابلیت نفوذپذیری مغناطیسی بالایی دارند، برای لایه نشانی آنها به روش کندوپاش نمی‌توان از کندوپاش مغناطیسی متداول استفاده کرد که از کندوپاش هدف‌ نما استفاده می‌شود.
در این سیستم کندوپاش، از دو هدف استفاده می‌شود که به موازات یکدیگر قرار دارند و زیرلایه در بیرون منطقه پلاسما می‌باشد.
این چیدمان نه تنها مزایای کندوپاش مغناطیسی متداول را دارد، بلکه باعث می‌شود که میزان بمباران سطح لایه تشکیل شده روی زیرلایه به وسیله یون‌ها کاهش یابد.

کاربردهای روش کندوپاش
به طور کلی کاربرد های روش کندوپاش به چهار کاربرد عمده­ی لایه­نشانی،حکاکی،آنالیز و تولید نانوذره تقسیم می­شود.
هر چند روش کندوپاش برای ساخت لایه در مقیاس های نانو تا میکرومتر استفاده می‌شود، تحت شرایط کنترل شده می‌توان با به کارگیری آن نانوذرات فلزی و یا نانوذرات نیمه رسانا تولید کرد.

[1] http://edu.nano.ir/paper/295
[2] R. Ramachandra and T.S. Kannan, “Synthesis andSintering of Hydroxyapatite– Zirconia Composites”, Materials Science and Engineering,vol. 20, pp. 187–193, 2002
[3] P. Galliano, J. J. De Damborenea, M. J. Pascual, and A. Duran, “Sol-gel coatings on 316Lsteel for clinical applications”, Journal of sol-gel science and technology,vol. 13, pp.529534, 1998
[4] S. Salehi, and M.H. Fathi “Fabrication and characterization of sol–gel derived hydroxyapatite-zirconia composite nanopowders with various yttria

سرچشمه عکس سریرگ:
https://www.intlvac.com/News-Blog/ArticleID/5/What-is-Sputtering

تهیه کننده: مائده کوهی

دانشجوی دکتری شیمی معدنی

رزومه انگلیسی