Sputtering

کندوپاش(Sputtering)

کندوپاش اولین بار در سال 1852 مورد استفاده قرار گرفت. در آن هنگام، شخصی به نام گرو با استفاده از تخلیه الکتریکی توانست لایه فلز را روی کاتد سرد لایه نشانی کند. کندوپاش در ابتدا، عمدتاً برای لایه نشانی فلزات دیرگداز بکار می رفت چرا که لایه نشانی آن ها با روش حرارتی ممکن نبود و به مرور با انجام تغییراتی، برای لایه نشانی مواد دی الکتریک نیز مورد استفاده قرار گرفت. یکی از این تغییرات، استفاده از امواج دارای فرکانس رادیویی بود که اجازه می داد تا دی الکتریک ها بصورت مستقیم لایه نشانی شوند.
استفاده از امواج Rf از سال 1960 گسترش یافت و مایسل و دیوید Maiseel &David در سال 1966، برای ساخت لایه های دی الکتریک، از امواجRf استفاده کردند. در 1968 شرکت Hohenstein به طور هم زمان شیشه را با استفاده از امواج Rf و فلزات نیکل، مس و آلومينیوم را با استفاده از جریان مستقیم DC لایه نشانی نمود. در ادامه برای بهبود لایه نشانی و بالا بردن آهنگ رشد لایه از میدان مغناطیسی استفاده شد که بواقع انقلابی مهم در گسترش این فن‌آوري بود و موجب شد که مقایسه بین کندوپاش را با روش های دیگری مانند روش تبخیری برای لایه نشانی فلزات، آلیاژها، دی الکتریک ها و دیگر مواد بين كارشناسان به بحث گذاشته شده و به عنوان روشی قابل اعتماد برای لایه نشانی مورد توجه قرارگيرد.
کندوپاش در حقیقت فرآیند انتقال اندازه حرکت ذرات فرودی(معمولاً یون های گازهای خنثی) به سطح برخوردی می باشد. پارامترهایی مانند انرژی، زاویه و جرم ذره فرودی و همچنین انرژی مقید بین اتم ها در راندمان آن مؤثرند. در این فرآیند ذرات فرودی که برای بمباران ماده هدف استفاده می شوند را معمولاً یون های منتشر شده از یک گاز خنثی مانند He ، Ne ، Ar ، XeوCF4 تشکیل می دهند به دلیل این که آنها براحتی و با ایجاد میدان الکتریکی قابل شتاب دادن هستند.
تاثير انرژی فرودی به صورت شماتيك در شكل 1، نشان داده شده است. مشاهده مي شود كه یون هاي با کمتر از 5 الکترون ولت، یا جذب سطح شده و یا بازتاب می شوند. با افزايش انرژی يون هاي فرودي، تخریب سطح آغاز مي شود به گونه ای که اتم ها به داخل شبکه ماده هدف رانده می شوند و زمانی که مقدار انرژی به بیشتر از آستانه (معمولاً10 تا30 الکترون ولت) افزايش يابد، اتم ها شروع به کنده شدن از سطح می کنند.
کندوپاش در محدوده انرژی یون های بین 104-102 الکترون ولت رخ می دهد. در حالی که در انرژی های بالاتر، کاشت یونی Implant انجام می گیرد.

شکل (1): واكنش هاي انجام شده براي انرژی هاي مختلف یون های فرودی

کنده شدن اتم ها از روی سطح به انرژی آستانه (E0 ) بستگی دارد که معادل کم ترین انرژی مورد نیاز برای کنده شدن یک اتم از سطح مي باشد. در کندوپاش این انرژی باید بیشتر از انرژی قیدی اتم های سطح باشد كه با Eb نشان داده می شود. معمولاً مقدار E0حدود 3 الي 4 برابر مقدار Eb مي باشد. بنابراین، با فرض اینکه Eb معادل 4 تا 8 الکترون ولت باشد، انرژی آستانه غالباً در حدود 40-15 است.
با ایجاد یک تخلیه الکتریکی بین چشمه(منفی) و آند(که درحقیقت دیواره محفظه و زیرلایه متصل به زمین می باشند)، گاز خنثی موجود در محفظه(مانند آرگن) مطابق رابطه زیر يونيزه شده و یون های تولید شده، به سمت چشمه هدف Target که در پتانسیل منفی قرار گرفته شتاب می گیرند. برای تولید پلاسما در محدوده 1-10- 3-10 تور، اختلاف پتانسیل چند صد ولت بین آند و کاتد(در حدود 300 ولت) استفاده مي شود.
اگر انرژی منتقل شده توسط یون های مثبت فرودی به اتم های سطح ماده هدف بزرگ تر از انرژی مقید آنها به سطح باشد، اتم های کنده شده اولیه با اتم های دیگر برخورد می کنند و انرژی خود را از طریق برخوردهای آبشاری تقسیم می نمایند و پلاسما حفظ می شود. انرژی یون های مثبت آرگن كه معمولاً بیشتر از 100 مي باشد، متناسب با اختلاف پتانسیل بین پلاسما و هدف است. در اين حال، فرايند کندوپاش شروع می شود و اتم ها، خوشه ها یا مولکول ها از سطح چشمه هدف، كنده شده و پس از چند برخورد، کم و بیش از پلاسما عبور می کنند و با انرژی باقیمانده به زیرلایه می رسند تا لایه نشانی صورت گیرد. در نتيجه برهم کنش بین سطح و یون های فرودي، مطابق شكل هاي 2 و 3 چندین واکنش جدید رخ می دهد که متناسب با انرژی فرودی، جرم یون و طبیعت اتم های سطح متفاوت خواهد بود.

شکل2): فرآیندهای اولیه در برخورد یون ها با سطح ماده هدف

شکل(3): نماي شماتيك از فرآیند لايه نشاني كندوپاش

يكي از آنها، گسیل الکترون های ثانویه از سطح هدف است. این الکترون های ثانویه قادرند با اتمهاي گاز آرگن برخورد كرده و موجب تشكيل يون هاي آرگن شوند و بدين ترتيب، به پایداری تخلیه تابان حاصل از پلاسما و برخورد يوني کمک کنند.

شکل(4): نمايی ازدستگاههای لایه نشانی کندوپاش

اجزا اصلی اين سامانه ها عبارتند از: 1- پمپ های زبر و خلأ بالا 2- اتصال ورودی و کنترل گاز خنثی 3- اتصال ورودی و کنترل گاز واکنشی 4- کاتد و ماده هدف 5- نگهدارنده زیرلایه 6- منبع تغذیه(در حالت RF یک سیستم تطبیقی به نام Matching network به آن اضافه می شود) .
ماده هدف همان طور که در شکل 5، دیده می شود به شکل یک دیسک صاف می باشد که معمولا در یک صفحه فلزی (كه معمولا از جنس مس مي باشد) به نام Back Plate که با آب خنک می شود قرار داده می شود.
توجه داشته باشيم كه بیش از 80% انرژی جنبشی فرودی یون های آرگن در حین کندوپاش به گرما تبدیل می شود و از اين رو ماده هدف مي بايست به شكلي ساخته شود كه هدایت گرمایی آن بالا باشد.

شکل(5): نمایی از چشمه های کندوپاش

کندوپاش RF

کندوپاش RF در کندوپاش فلزات با توجه به رسانا بودن آن ها می توان با اعمال ولتاژ مستقیم پلاسمای موجود در محفظه را جذب هدف کرده و کندوپاش انجام داد. ولی چنانچه ماده هدف نارسانا باشد در صورت استفاده از روش جریان مستقیم، به علت عدم امکان انتقال بار، بین یون ها و سطح، به تدریج پتانسیل منفی سطح کاتد، به دلیل تجمع یون های مثبت روی آن کاهش می یابد و نهایتاً عمل کندوپاش متوقف می شود.
براي رفع اين مشكل از روش هاي كندوپاشRF و كندوپاش واكنشي بهره مي برند. همانطور که اشاره شد برای کندوپاش مواد دی الکتریک، به جای ولتاژDC ، می بایست از ولتاژ متناوب بهره برد. برای انجام آن هر فرکانس بالای MHz 10 می تواند مورد استفاده قرار گیرد، ولی فرکانس متداول معادل MHz 56/13 مي باشد.
در شكل 6، نماي شماتيك از كندوپاش RF نشان داده شده است. توجيه ساده اين فرايند به اختلاف جرمي الكترون و يون هاي مثبت ايجاد شده و در نتيجه تحرك پذيري آنها بر مي گردد. چرا كه مطابق رابطه زير، شتاب ذره باردار رابطه معكوس با جرم آن دارد و از اين رو شتاب حركت الکترون نسبت به حركت يونها، بيشتر مي باشد.
شکل6) نمونه شماتیک از دستگاه کندوپاشRF

مطابق شكل7، فرض کنید که در نیم سیکل اول، پتانسیل هدف مثبت باشد. در حاليكه الكترونها با شتاب بالا، به سمت هدف (آند) رفته در آنجا تجمع مي كنند، یون ها به دلیل سنگین بودن(نسبت به الکترون ها) قادر به دنبال نمودن نوسانات پتانسیل نبوده و در نتیجه، در نيم سيكل اول، تجمع یون ها نزديك کاتد (نسبت به تجمع الكترون ها در نزديك آند) کم می شود. در برگشت و در نیم سیکل دوم، به دلیل وجود یون ها، حرکت الکترون ها کند تر می شود (در این حال ترکیب بعضی از الکترون ها و یون ها ناحیه خنثی را تشکیل می دهد که ناحیه سیاه خوانده می شود). از طرفی دیگر، با توجه به اینکه جرم الکترون ها خیلی کمتر از جرم یون های متناظر آنهاست هدف تنها برای مدت زمان بسیار کمی مثبت است.
بدين صورت، پتانسیل سطح هدف تا هنگامی که مدت چرخه ولتاژ، کمتر از زمان لازم برای تخلیه بار منفی روی آن (توسط یون های مثبت) باشد، منفی می ماند. بدین ترتیب یک ولتاژ منفی مؤثر ساخته می شود تا بتوانیم دی الکتریک ها را نیز با آن لایه نشانی کنیم. نكته مهم و حياتي در تمايز كاتد و آند آن است كه مساحت موثر الكترود هدف (كاتد) نسبت به الكترود زيرلايه كه به بدنه و در نتيجه به زمين (آند) متصل است، به مراتب كوچك تر بوده و در نتيجه چگالي الكترون ها در سطح الكترود هدف به مراتب بيشتر از چگالي الكترون ها در روي الكترود زيرلايه مي باشد كه اين خود موجب تشكيل باياس منفي بر روي الكترود هدف مي شود.

شكل7): فرآيند انجام شده در جريان متناوب يك سامانه كندوپاشRF،ناحيه 1:تجمع الكترون ها، ناحيه 2:تجمع يون ها، 3: تجمع يون ها، 4: تجمع الكترون ها

متأسفانه آهنگ کندوپاش در این حالت به دلیل هدایت گرمایی ناچیز هدف های نارسانا محدود است و بنابراین در بسیاری موارد ترجیح داده می شود که لایه های عایق به صورت واکنشی از چشمه فلزی تهیه شوند. از طرفي ديگر، استفاده از منبع تغذیه های بزرگ RF به خاطر قیمت بالای آنها مقرون به صرفه نمي باشد. همچنین به علت ولتاژ بالای بایاس وابسته توان RF ، درجه حرارت زیادی در مواد عایق ایجاد    می گردد. بنا به همين دلایل، از روش کندوپاش RF برای كاربردهاي تجاری، كمتر استفاده می شود.

کندوپاش واكنشي Reactive Sputtering

کلمه واکنشی به استفاده از یک گاز واکنش پذیر به صورت ترکیبی با ماده چشمه بر می گردد كه معمولا براي تشكيل لايه هاي غير فلزي استفاده مي شود. بنا به نوع چشمه مورد استفاده، معمولاً به دو صورت از گازهاي مورد نظر استفاده مي شود:
1- چشمه هاي دي الكتريك لایه های تشکیل شده از چشمه هاي دي الكتريك معمولاً با مواد چشمه متفاوت مي باشند و به عبارتی دیگر استوکیومتری آنها بعد از لایه نشانی تغییر می کنند. براي درك بيش تر به يك مثال مي پردازيم. به عنوان مثال لايه بدست آمده از كندوپاش متناوب چشمه TiO2 ، به صورت كامل استوكيومتري چشمه را حفظ نمي كند و تشكيل لایه اي به صورت را مي دهد كه در آن x و y مقادير متفاوت با 1 و 2 را دارند. براي رفع اين مشكل، با تزریق گاز واکنشی(در اینجا گاز اکسیژن) تحت شرایط کنترل شده سعی   می شود تا استوکیومتری ماده اصلاح گردد.
2- چشمه هاي فلزي گفته شدكه تشكيل لايه هاي دي الكتريك با اعمال جریان مستقیم، از گازهاي واكنشي استفاده مي شود. براي انجام اين فرآیند، بخش فلزی یک ماده دی الکتریک، به عنوان ماده هدف روی کاتد قرار می گیرد و بخش دیگر را که شامل گازهایی مانند نیتروژن و یا اکسیژن است در هنگام انجام کندوپاش با جریان مستقیم، به محفظه تزریق می كنند. در این صورت لایه تشکیل شده، ترکیبی از ماده هدف فلزي و گاز واکنشی تزریق شده است.
به عنوان مثال، مطابق شکل 8، براي تشكيل لایهTiN به روش کندوپاش جریان مستقیم، ازTi به عنوان ماده هدف و از گاز نیتروژن به عنوان گاز واکنشی استفاده می شود. ماده تشکیل شده لایه دی الکتریکTiN خواهد بود.
يادآوري مي شود كه استوکیومتری صحیح برای لایه تشکیل شده با تزریق مقدار صحیحی از گاز مورد نظر بدست می آید که معمولاً به صورت تجربی و به روش هاي مختلف، قابل دستیابی است.

شکل(8): لایه نشانی کندوپاش TiN با استفاده از گاز واكنشي

لازم به ذکر است که در بعضی از کاربردها نیز از گاز واکنشی صرفاً جهت افزودن یک ناخالصی برای تغییر ماهیت لایه انباشت شده استفاده می شود.

کندوپاش مگنترون   Magnetron Sputtering

می دانیم که با استفاده از میدان مغناطیسی می توان حرکت الکترون ها را کنترل و محدود نمود. این میدان های مغناطیسی، ممکن است با آهن رباهای دائمی و یا الکتریکی بوجود آید كه در شكل ها و اندازه هاي مختلف در پشت كاتد قرار مي گيرند و به همين دليل اين نوع از سامانه هاي كندوپاش را مگنتروني مي نامند.
بدين ترتيب، در کندوپاش مگنترون، مطابق شکل 9، علاوه بر ميدان الكتريكي، یک میدان مغناطیسی، موازی با سطح هدف به منظور به دام انداختن الکترون های ثانویه (گسیل شده از هدف در حین بمباران آن) در نزدیکی سطح هدف مورد استفاده قرارمي گيرد. بدین ترتیب یک الکترون قبل از این که توسط ترکیب، در دیواره های محفظه ناپدید شود، می تواند یونیزاسیون های متعددی را در آرگن ايجاد کند.
طبق قانون لورنتس، نیروی F روی ذره ای با بار q و سرعت v از یک میدان مغناطیسی B با رابطه زیر داده می شود:
                                                                      F=qV×B
که موجب می شود الکترون ها یک مسیر مارپیچی با شعاعr را بپیمایند. الکترون های سبک به شدت تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرند و در شعاعی حرکت می کنند که بسیار کوچک تر از ابعاد سیستم و پلاسما است. در مقابل یون های خیلی سنگین تر با شعاع بسیار بزرگ تری از ابعاد سیستم و پلاسما حرکت می کنند. در نتیجه اثر میدان مغناطیسی روی یون ها چندان مهم نیست. بنابراین، میدان مغناطیسی، الکترون های ثانويه بدست آمده را کنترل نموده و آنها را در جهت ساخت پلاسما بکار می برند. در نتیجه برخورد الکترون ها با مولکول های گاز بی اثر، پلاسمای موجود در اطراف سطح هدف، بیشتر شده و بنابراین آهنگ کندوپاش بیشتر می شود.
با توجه به اینکه اکثر اتم های کنده شده نسبتاً سنگین و بی بار هستند، تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار نمی گیرند و به سمت زیرلایه حرکت می کنند. علاوه بر این در این حالت بمباران زیرلایه بوسیله الکترون کاهش می یابد. این همچنین بدین معناست که پلاسما در فشار کمتری می تواند نگهداری شود.
اتم های کندوپاش شده غالباً خنثی هستند و تحت تأثیر تله مغناطیسی قرار نمی گیرند. بدین ترتیب، پلاسما می تواند در فشار کم (Pa 1-1/0) پایدار نگه داشته شود.

شکل(9): طرح شماتیک از یک کاتد مگنترون

از گذار یون های برانگیخته به تراز پایین تر انرژی و در نتیجه گسیل انرژی اضافی به صورت تابش T یک برافروختگی مشاهده می شود. با توجه به این که متناسب با نوع عناصر، نور مرئی در طول موج های مختلف تابش می شود، می توان رنگ های مختلفی را مشاهده نمود. همچنین به کمک کندوپاش با مگنترون، لایه نشانی هایی با کیفیت بالا(چگال و چسبنده) تولید می شود.
درکندوپاش مغناطیسی رابطه بین جریان و ولتاژ بصورت غیر معمول بیان می شود. که در آن I جریان دشارژ،V ولتاژ و K و n ثابت های وابسته به مواد سیستم و گاز مورد استفاده، مي باشند.
به عنوان نمونه، برای یک نمونه کندوپاش مغناطیسی مقدار n بین5 الی 10 تغيير مي كند، در حالی که برای DC DIODE (غیرمغناطیسی) اين مقدار کمتر از 2 مي باشد.

کندوپاش مگنترون غيرتعادلي Unbalanced Magnetron

این روش که امروزه بسیار مورد توجه قرارگرفته است به شکلی از مگنترون ها اطلاق می شود که در آن بعضی از الکترون ها مجاز به فرار از ناحیه متراکم پلاسما باشند. مگنترون ها درجات متفاوتی از این حالت را دارند. الكترونهاي خارج شده از تله مغناطيسي، به سمت زيرلايه حركت مي كنند و در نتیجه آن، بمباران یونی زیر لایه نيز به مقدار قابل ملاحظه اي افزایش مي يابد و بدین ترتیب موجب تشکیل یک پلاسمای جدید دور از ماده هدف و نزدیک زیرلایه می شوند. نماي شماتيك از يك سامانه کندوپاش مگنترون غيرتعادلي، در شکل 10 نشان داده شده است.

شكل10: نماي شماتيك از يك سامانه کندوپاش مگنترون غيرتعادلي 1- نمونه هدف، 2- خنك كننده، 3 و 4-مگنت، 5- صفحه پشتي هدف، 6- خطوط ميدان مغناطيسي، 7- محفظه خلأ

مگنترون های غیرتعادلی گاهی در یک آرایش دوتایی ساخته می شوند که در آن یک میدان خروجی از قطب های شمال آهنربای اول(که قوی تر از قطب های جنوب هستند) شروع شده و به سمت قطب جنوب آهنربای مخالف آن به پیش می روند. این موجب گیراندازی بیشتر الکترون ها می شود. البته این گیراندازی با استفاده از یک بایاس منفی در بالا و پایین مگنترون افزايش مي يابد که در نتیجه آن، یون ها از این پلاسمای جديد به سمت زیر لایه شتاب گرفته آنرا بمباران می کنند كه این موجب افزایش کیفیت لایه می شود.
با به کار بردن یک مگنترون غیر تعادلی پیشرفته، جریان یونی که به سمت زیر لایه در حرکت است را می توان کنترل نمود و بدین ترتیب می توان کیفیت لایه نشانی را به طور چشم گیری افزایش داد. به صورت خلاصه می توان عمده ترين مزايای استفاده از روش كندوپاش مغناطيسی را بصورت زير برشمرد:
1- افزایش آهنگ لایه نشانی
2- کاهش کندوپاش از زیرلایه و بدنه
3- کاهش گرم شدن بستر در هنگام لایه نشانی
4- کاهش فشار گاز مورد نیاز متداول ترين آنها چشمه های مگنترون استوانه ای و صفحه دایره ای است.
مگنترون استوانه ای دارای این مزیت است که هدف سریعاً مصرف نمی شود. الکترون ها در پوششی از پلاسما محبوس شده و در شعاعی برابر با شعاع آند، کاتد استوانه ای را احاطه می کنند. تفاوت اصلی بین کندوپاش دیودی و مگنترون روش تولید و پایدار نگه داشتن پلاسما است که در کیفیت لایه نشانی نیز تأثیر می گذارد.

منبع : کتاب مبانی لایه نشانی و آنالیز نانو ساختار تالیف آقای جهانبخش مشایخی، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی

فیلم آموزشی در مورد لایه نشانی به روش اسپاترینگ

فیلمها و مطالب آموزشی

آنالیزهای سطح و لایه   نازک

برهم کنش بین ذرات باردار با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو ایکس با لایه نازک

برهم کنش بین پرتو نور با    لایه نازک

میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM

میکروسکوپ الکترونی عبوری    TEM

میکروسکوپ پروبی روبشی    SPM

میکروسکوپ پروبی روبشی    AFM

میکروسکوپ روبشی تونلینگ    STM

آنالیز سطح و لایه به روش SIMS

آنالیز سطح و لایه به روش    RBS

آنالیز سطح و لایه به روش    XRD

آنالیز سطح و لایه به روش    XPS

آنالیزطیفی به روش بیضی سنجی

آنالیزطیفی به روش اسپکتروفتومتر

لایه نشانی و پارامترهای آن

ساختار    تشکیل       لایه

روش تفنگ الکترونی E_Beam Gun

روش تبخیر مقاومتی    Resistant Ev

روش کندوپاش       Sputtering

لایه نشانی به روش لیرزی    PLD

لایه نشانی به روش       MBE

لایه نشانی شیمیایی       CVD

لایه نشانی شیمیایی        PECVD

لایه نشانی شیمیایی     MOCVD

درباره                            خلاء

پمپ روتاری    Rotary Pump

پمپ توربومولکولارTurbomolecular

پمپ کرایوجنیک Cryojenic Pump

پمپ دیفیوژن    Diffusion Pump

تاریخچه فشارسنج های نخستین

فشارسنجهای محدوده خلاء پایین

فشارسنج یونی کاتد سرد و گرم

کنترل ضخامت

ضخامت سنجی اپتیکی

ضخامت سنجی کریستالیQCM

آمار سایت

كاربران آنلاين:
بازدید امروز:
بازديد ديروز:
بازديد هفته گذشته:
بازديد ماه گذشته:
بازدید کل:
بیشترین بازدید: