کندوپاش

کندوپاش یا اسپاترینگ (به انگلیسی: Sputtering) یکی از روش‌های لایه نشانی از فاز بخار است که به‌طور عمده برای تولید فیلم فلزات از نانو تا میکرو می‌باشد و تحت شرایط کنترل شده می‌توان نانوذراتی ۳ نانومتری هم به این شیوه بدست آورد. اما فرایند کندوپاش عبارتست از کندوپاش اتم‌های یا مولکول‌های منبع یا هدف (به انگلیسی: Target) و ایجاد یک فیلم با یون‌های یک گاز خنثی که در پلاسما ایجاد شده و درمیدان ایجادکننده پلاسما شتاب می‌گیرند. مانند سایر روش‌های لایه نشانی فیزیکی تحت شرایط خلأ، روش کندوپاش نیز شامل سه مرحلهٔ تبخیر مادهٔ منبع، انتقال بخار از منبع به جسم و تشکیل لایه نازک روی جسم با انباشت بخار منبع مورد نظر است. در روش کندوپاش، برای این‌که مادهٔ منبع به فاز بخار درآید، از برهم کنش فیزیکی ذره‌هایی که به ماده منبع برخورد می‌کنند استفاده می‌شود. ماده منبع که به ولتاژ منفی متصل است، نقش کاتد را دارد. با بمباران و برخورد ذرات پر انرژی به سطح منبع، اتم‌ها یا مولکول‌های آن از سطح جدا شده و به بیرون پرتاب می‌شوند و درمیدان ایجادکنندهٔ پلاسما شتاب می‌گیرند. جسم مورد نظر به ولتاژ مثبت متصل است و در واقع نقش آند را دارد، بنابراین لایه‌ای از جنس منبع روی آن انباشته می‌شود. این روش برای ایجاد پوشش و ساخت لایه‌های نازکی که کاربردهایی مانند اپتیکی، ذخیره‌سازی مغناطیسی و… دارند، استفاده می‌شود.

یک سیستم کندوپاش تجاری AJA Orion در مرکز علوم و فناوری Cornell NanoScale

تاریخچه

استفاده از کندوپاش برای ساخت یک لایه نازک اولین بار در سال ۱۸۵۲ میلادی گزارش شد و از آن زمان دوره‌های متفاوت جذابت و کم توجهی را به لحاظ اقتصادی و علمی گذارنده است. امروزه دانش کافی نسبت به فرایند پیچیده‌ای که حین بمباران یونی سطح هدف جامد رخ می‌دهد توسعه یافته و تجهیزات امروزی قابلت طراحی فرایندی تکرار پذیر و قابل کنترل را مهیا ساخته‌اند. پیشرفت این شاخه از علم که با اندرکنش یون- سطح مرتبط است با توسعه موازی فناوری خلأ بالا و روش‌های بسیار حساس میکرو آنالیز تسریع شد.

سازوکار فرایند

کندوپاشی از آبشار برخورد خطی. خط ضخیم موقعیت سطح را نشان می‌دهد، همه چیز زیر آن اتم‌های داخل ماده است و خطوط نازک‌تر، مسیرهای حرکت بالستیک اتم‌ها از ابتدا تا زمانی که در مواد متوقف شوند. دایره بنفش یون ورودی است. دایره‌های قرمز، آبی، سبز و زرد به ترتیب پس زدگی‌های اولیه، ثانویه، سوم و چهارم را نشان می‌دهد. دو اتم در حال خروج از نمونه هستند، یعنی اسپاتر شده‌اند.

لایه نشانی کندوپاش به‌طور ذاتی یک روش پوشش دهی خلاء است. در عمل ماده مورد نظر جهت لایه نشانی یا همان هدف در مقابل زیر لایه و در فشار اولیه ۱۰–۶ تا Torr 10-10 قرار می‌گیرید. معمول‌ترین شیوه تأمین یون، عبور مداوم گازی همچون آرگون است که فشار را به ۱ تا ۱۰۰ Torr افزایش داده قوس درخشان یا همان پلاسما را تشکیل می‌دهد. پتانسیل منفی بین ۰٫۵ تا ۵ kV به هدف اعمال می‌شود.

یون‌های شتابدار انرژی جنبشی بسیار بالایی دارند بطوری‌که رسیدن به این سطح انرژی با حرارت دادن به نمونه امکان‌پذیر نیست. به علاوه لایه ایجاد شده مورد اصابت ذرات مختلف اما کم انرژی مثل اتم‌های هدف، یون‌های برگشتی گاز آلاینده و غیره قرار می‌گیرند؛ بنابراین اندرکنش یون-سطح تنها منحصر به هدف نیست بلکه در سینیتیک جوانه زنی و رشد فیلم و نیز تأثیر بسزایی دارد و کنترل بمباران یونی در هدف، خواص و ریزساختار فیلم را تعیین می‌کند.

انواع روش‌های کندوپاش

کندوپاش مغناطیسی

متداول‌ترین روش کندوپاش، کندوپاش مغناطیسی است که در آن میدان مغناطیسی به موازات سطح کاتد اعمال می‌شود. این عمل باعث می‌گردد تا الکترونها به جای طی مسیر به صورت مستقیم، به صورت مارپیچی حرکت کنند. در این صورت، علاوه بر این‌که الکترون‌ها پرانرژی‌تر می‌شوند، مسیر بیشتری را طی کرده و اتم‌های بیشتری از مادهٔ منبع را یونیزه می‌کنند؛ بنابراین میدان مغناطیسی، پلاسما را در اطراف سطح منبع محدود می‌کند که این دام الکترونی، آهنگ برخورد بین الکترون‌ها و مولکول‌های گاز که کندوپاش را به عهده دارند افزایش می‌دهد و سبب می‌شود که لایه نشانی در فشارهای پایین‌تر قابل انجام شود. میدان مغناطیسی با افزایش چگالی پلاسما، چگالی جریان در منبع یا کاتد را افزایش داده و در نتیجه آهنگ کندوپاشی افزایش می‌یابد. به دلیل پایین بودن فشار گاز، ذرات کنده شده فضای محفظه را بدون برخورد طی می‌کنند که منجر به افزایش آهنگ لایه نشانی می‌شود. این روش در مقایسه با سایر روش‌ها، قابلیت لایه نشانی درمقیاس بزرگ را داراست؛ بنابراین برای کاربردهای صنعتی به‌طورگسترده استفاده می‌شود و به منظورافزایش آهنگ لایه نشانی ازکندوپاش مغناطیسی استفاده می‌گردد. چنانچه ولتاژ منبع تغذیه از نوع DC باشد، کندوپاش مستقیم نام دارد و معمولاً برای لایه نشانی فلزات به کار گرفته می‌شود. برای لایه نشانی مواد عایق و نیمه رسانا از پتانسیل فرکانس رادیویی استفاده می‌شود.

پی‌وی‌دی

طرح‌واره‌ای از روش پی‌وی‌دی

پی‌وی‌دی (به انگلیسی: Physical Vapor Deposition (PVD)) یک روش پوشاندن سطوح با یک لایهٔ رسوبی می‌باشد. در این روش پوشش مورد نظر از جسم منبع جدا شده و روی سطح مورد نظر رسوب می‌کند.

کاربردها

یکی کاربردهای گستردهٔ این روش، در تولید هارد دیسک کامپیوتر است. پی‌وی‌دی به‌طور گسترده در صنعت نیم‌رساناها برای رسوب دادن لایه‌های نازک از مواد مختلف بر روی تراشه‌های الکترونیکی می‌باشد. از آنجا که در این روش از دمای پایین استفاده می‌شود، کندوپاش یک روش ایده‌آل برای رسوب‌دهی فیلم نازک فلزات برای تولید ترانزیستورها است. همچنین در کاربردهای بصری برای ایجاد پوشش‌های نازک ضد انعکاس بر روی شیشه از این روش استفاده می‌گردد. یکی دیگر از کاربردهای آشنا از پی‌وی‌دی، ایجاد پوشش کم تشعشع بر روی شیشهٔ دوجداره است؛ این پوشش چند لایه حاوی نقره و اکسید فلزات مانند اکسید روی، اکسید قلع، یا دی‌اکسید تیتانیوم است. این روش همچنین برای ایجاد لایهٔ فلزی (به عنوان مثال آلومینیوم) در فرایند ساخت سی دی و دی وی دی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پوشش کندوپاش

پوشش کندوپاش یک مورچه به عنوان نمونه برای میکروسکوپ الکترونی روبشی

پوشش کندوپاش در میکروسکوپ الکترونی روبشی (به انگلیسی: Scanning Electron Microscopy(SEM)) یک روش کندوپاش است که در آن پوششی از یک مادهٔ رسانا بر روی یک نمونهٔ آزمایشگاهی یا مدل ایجاد می‌شود. این مادهٔ رسانا معمولاً فلزاتی مانند آلیاژ طلا و پالادیوم می‌باشد. پوشش رسانا برای جلوگیری از باردار شدن نمونه در هنگام برخورد الکترونها می‌باشد.

مقایسه با سایر روش‌های رسوب‌دهی

یک مزیت مهم روش کندوپاشی این است که به راحتی می‌توان پوششی از انواع مواد حتی مواد با نقطه ذوب بسیار بالا را ایجاد کرد در حالی که تبخیر یا ذوب این مواد بسیار پرهزینه یا غیرممکن است. پوشش‌های ایجاد شده توسط کندوپاشی ترکیبی نزدیک به مادهٔ منبع دارند و تفاوت آن‌ها به دلیل اختلاف در پاشش ذرات مختلف به‌خاطر تفاوت در وزن آن‌ها است (عناصر سبک‌تر به راحتی توسط گاز منحرف می‌شوند). لایهٔ ایجاد شده توسط روش کندوپاش معمولاً چسبندگی بهتری نسبت به لایه‌های ایجاد شده توسط روش‌های تبخیری دارد. منابع کندوپاش حاوی مقدار زیادی ماده برای پوشش‌دهی هستند و هزینهٔ تعمیر و نگهداری مناسبی دارند. منابع کندوپاش دمای پایینی دارند و برای جلوگیری از گرمایش آن‌ها معمولاً از خنک‌کاری با آب سرد استفاده می‌شود. به دلیل دمای پایین، منابع کندوپاش با گازهایی مانند اکسیژن واکنش نمی‌دهند که این نیز یک مزیت بسیار مهم به‌شمار می‌رود.

انواع دستگاه کندوپاش مغناطیسی

دستگاه کندوپاش می‌تواند طراحی‌های مختلفی داشته باشد:

در سیستم کندوپاش مغناطیسی، میدان مغناطیسی در مجاورت کاتد، تله‌ای را برای الکترون‌ها تشکیل می‌دهد. این میدان مغناطیسی چندان قوی نیست که بتواند یون‌ها را تحت تأثیر قرار دهد. الکترون‌ها تحت تأثیر میدان یکنواخت الکتریکی دارای سرعت در جهت مستقیم می‌باشند اما از آن جایی که در این نوع سیستم‌ها میدان مغناطیسی نیز وجود دارد، الکترون‌ها در راستای میدان الکتریکی حرکت مارپیچ خواهند داشت (بنابراین مسیر بیشتری را برای یونیزه کردن تعداد بیشتر اتم‌ها می‌پیماید). الکترون‌ها در صورتی می‌توانند از تله خارج شوند که انرژی آن‌ها چند صد الکترون‌ولت باشد. با برخورد الکترون‌هایی با انرژی چند صد الکترون‌ولت اتم‌های گاز تبدیل به یون می‌شوند. از مزایای این دستگاه گرم نشدن هدف، نرخ بالای لایه نشانی و قابلیت لایه نشانی در سطوح بزرگ است.
سیستم کندوپاش با دیود موازی که ساده‌ترین نوع سیستم است و در آن منبع و جسم مورد نظر به موازات یکدیگر قرار گرفته‌اند.
سیستم کندوپاش با دیود مسطح که در آن جسم و منبع مجاور هم قرار می‌گیرند. در این نوع سیستم در حین بمباران یونی، سطح زیرلایه نیز بمباران شده و آلودگی‌های آن تمیز می‌شود. هر چند بیش‌ترین چسبندگی منبع با سطح جسم در این نوع سیستم حاصل می‌شود که اتفاق مطلوبی است، اما در این نوع سیستم برای ایجاد پلاسما به فشارهای بالاتری نیاز است و در نتیجه حرکت بالستیک اتم‌های کنده شده از هدف به حرکت نفوذی تبدیل می‌شود. در واقع این اتم‌های کنده شده حین رسیدن به زیرلایه، با اتم‌های محیط برخورد کرده و از مسیر خود منحرف می‌شوند و به دنبال آن نرخ لایه نشانی کاهش می‌یابد و همچنین باعث آلودگی زیاد محفظه نیز می‌شود.

در کندوپاش از نوع دیودی، کاتد بایستی رسانای الکتریسیته باشد. برای عناصر و ترکیبات غیررسانا از سایر روش‌های کندوپاش می‌توان استفاده کرد. از طرفی در این روش نرخ کنده شدن ذرات از روی کاتد بیش‌تر از نرخ لایه نشانی بر روی سطح جسم است.

زُدایش

زدایش (به انگلیسی: Etching) در صنعت نیم‌رساناها کاربرد دارد. در این صنعت، برای زدایش سطح از روش کندوپاش استفاده می‌شود. این روش زمانی کاربرد دارد که زدایش‌های نامنظم و در راستای عمود بر جسم مطلوب باشند.

منابع

[۱]

↑ http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Sputtering.
↑ http://edu.nano.ir.
↑ https://en.wikipedia.org/wiki/Sputter_deposition.
↑ Newbery, Dale. (۱۹۸۶). Advanced Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. شابک ۰-۳۰۶-۴۲۱۴۰-۲.
↑ Rashidian Vaziri؛ و دیگران. «Microscopic description of the thermalization process during pulsed laser deposition of aluminium in the presence of argon background gas». Journal of Physics D: Applied Physics. ۴۳: ۴۲۵۲۰۵. doi:10.1088/0022-3727/43/42/425205.

پیوند به بیرون

[۲]
What is Sputtering? - an introduction with animations
Sputtering Basics - animated film of a sputtering process
Free molecular dynamics simulation program (Kalypso) capable of modeling sputtering بایگانی‌شده در ۲۰ مه ۲۰۱۰ توسط Wayback Machine
American Vacuum Society short courses on thin film deposition
Reactive Sputtering Using A Dual-Anode Magnetron System
H. R. Kaufman, J. J. Cuomo and J. M. E. Harper (1982). "Technology and applications of broad-beam ion sources used in sputtering. Part I. Ion source technology". J. Vac. Sci. Techn. 21 (3): 725–736. Bibcode:1982JVST...21..725K. doi:10.1116/1.571819.(The original paper on Kaufman sputter sources.)
en:Sputter deposition

[1] ttp://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Sputtering.

[o-2] ttp://edu.nano.ir.

[s-3] ttps://en.wikipedia.org/wiki/Sputter_deposition.

[4] Newbery, Dale. (۱۹۸۶). Advanced Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis. شابک ۰-۳۰۶-۴۲۱۴۰-۲.

[5] Rashidian Vaziri؛ و دیگران. «Microscopic description of the thermalization process during pulsed laser deposition of aluminium in the presence of argon background gas». Journal of Physics D: Applied Physics. ۴۳: ۴۲۵۲۰۵. doi:10.1088/0022-3727/43/42/425205.