روش لایه نشانی اسپاترینگ | Sputtering Deposition Method
روش لایه نشانی اسپاترینگ | Sputtering Deposition Method

اسپاترینگ | Sputtering Deposition Method

از نظر فیزیکی، اسپاترینگ | Sputtering ، پدیده‌ای است که در آن ذرات پر انرژی پلاسما یا گاز به سطح یک ماده جامد برخورد کرده و در اثر این برخورد ذرات میکروسکوپی از آن ماده جدا می‌شود. این پدیده به صورت طبیعی در محیط رخ می‌دهد و می‌تواند موجب سایش ناخواسته سطوح در شرایط با دقت بالا شود. ایجاد یا حذف لایه‌های نانومتری از مواد، کاربردهای فراوانی در علم و صنعت دارد. لایه نشانی(Deposition) لایه‌های نانومتری روی ادوات اپتیکی، نیمه هادی‌ها و محصولات نانوتکنولوژی یا زدایش(Etching) لایه‌های نانومتری در بررسی و به‌کارگیری تکنیک‌های تحلیلی به‌منظور کاربردهای گوناگون بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در اثر برخورد یون‌های پرانرژی با اتم‌های ماده هدف، انتقال مومنتوم بین آن‌ها رخ می‌دهد. این یون‌ها که به آن‌ها یون‌های برخوردی(Incident Ions) می‌گویند، موجب برخوردهای پیاپی آبشاری(Collision Cascades) در سطح تارگت می‌شوند. گاهی اوقات این برخوردهای پیاپی موجب می‌شوند که یون‌ها مسیرهای طولانی طی کنند و از انرژی آن‌ها کاسته شود. اگر انرژی یون در زمانی که به سطح تارگت می‌رسد بیشتر از انرژی اتصال قیدی بین اتم‌های ماده هدف باشد، اتم مورد برخورد از ماده هدف جدا می‌شود. به این پدیده اسپاترینگ می‌گویند. انرژی اتم‌های اسپاتر شده در بازه وسیعی متغیر است و معمولا انرژی این اتم‌ها بیش از ده‌‌ها الکترون ولت است. تقریبا یک درصد از یون‌هایی که به سطح ماده هدف برخورد می‌کنند دارای برخورد بالستیک هستند و به سمت زیرلایه بر‌می‌گردند و موجب پدیده باز اسپاترینگ(Re-sputtering) می‌شوند.

بازده اسپاترینگ

میانگین تعداد اتم‌های جدا شده از سطح ماده هدف در اثر برخورد هر یون، بازده اسپاترینگ(Sputter Yield) نامیده می‌شود. بازده اسپاترینگ به موارد زیادی بستگی دارد مثلا:

  • زاویه‌ای که یون‌ها به سطح ماده هدف برخورد می‌کنند
  • میزان انرژی یون‌ها در حین برخورد
  • وزن یون‌ها
  • وزن اتم‌های ماده هدف
  • انرژی قیدی بین اتم‌های ماده هدف

در صورتی که ساختار ماده هدف کریستالی باشد، جهت محور کریستال نسبت به سطح نیز از فاکتورهای مهم در میزان بازده اسپاترینگ است.

لایه نشانی چیست؟

لایه نشانی چیست؟ | روش های لایه نشانی | لایه نشانی در خلاءلایه نشانی مجموعه‌ای از فرایندها است که برای ایجاد لایه‌های نازک یا ضخیم از یک ماده به صورت اتم به اتم یا مولکول به مولکول روی یک سطح جامد استفاده می‌شود. لایه ایجاد شده پوششی بر روی یک سطح ایجاد می‌کند و بسته به نوع کاربرد، خصوصیات سطح زیر لایه را تغییر می‌دهد. ضخامت لایه‌های ایجاد شده در این فرایند بسته به روش و نوع ماده مورد نظر، می تواند در بازه ضخامتی به اندازه یک اتم(نانومتر) تا چند میلی‌متر باشد.

NSC DSR1 full face
NSC DST1-170 full face
NSC DST3-T with Plasma

لایه نشانی

یکی از کاربردهای پدیده اسپاترینگ، لایه نشانی(Deposition) است. لایه نشانی با استفاده از اسپاترینگ، یک روش برای ایجاد لایه‌های نازک چند نانومتری تا چند میکرومتری روی زیرلایه مورد نظر است. در این فرایند اتم‌های جدا شده از سطح ماده هدف در حال گازی شکل هستند. این اتم‌ها که از نظر ترمودینامیک ناپایداراند تمایل دارند تا روی یک سطح در محفظه خلاء قرار بگیرند. اتم‌های قرار گرفته روی زیرلایه، لایه ای با ضخامت چند نانومتر تا چند میکرومتر ایجاد می‌کنند که به آن لایه نازک(Thin Film) می‌گویند.

لایه نشانی بخار فیزیکی

لایه نشانی با استفاده از پدیده اسپاترینگ یک روش لایه نشانی در خلاء به صورت فیزیکی((Physical Vapor Deposition (PVD) است. PVD، به مجموعه روش‌های لایه نشانی گفته می‌شود که در آن ها ماده از حالت چگال وارد فاز بخار شده و مجددا به صورت لایه نازک به فاز چگال بر‌می‌گردد. این روش‌های لایه نشانی تحت خلا، شامل سه مرحله ی تبخیر ماده هدف، انتقال بخار از ماده هدف به زیرلایه و تشکیل لایه نازک روی زیرلایه با انباشت بخار ماده مورد نظر هستند. به منظور انجام فرایند لایه نشانی با استفاده اسپاترینگ نیاز است تا در محیط پلاسما یون‌هایی به سمت ماده هدف شلیک شوند. گاز مورد نظر برای استفاده در فرایند اسپاترینگ باید دارای دو ویژگی باشد: اول اینکه وزن آن باید به اندازه‌ای باشد که بتواند اتم ماده هدف را تحت تاثیر قرار دهد و دوم اینکه نباید با ماده هدف وارد واکنش شیمیایی شود.

با توجه به موارد ذکر شده گازهای مورد استفاده در فرایند اسپاترینگ از گروه گازهای نجیب ردیف‌های انتهایی جدول تناوبی(آرگون، زنون و …) هستند. گاز آرگون متداول‌ترین گاز مورد استفاده در فرایند اسپاترینگ است.

پلاسمای گازی، یک محیط پویا است که در آن اتم‌های گاز خنثی، یون‌ها، الکترون‌ها و فوتون‌ها در حالت تقریبا متعادل قرار دارند. برای تغذیه پلاسما و جبران انرژی که از پلاسما به اطراف منتقل می‌شود نیاز است تا از یک منبع انرژی(مثلا منبع تغذیه DC یا RF) استفاده شود تا پلاسما را بتوان حفظ کرد. به منظور انجام لایه نشانی به روش اسپاترینگ، با وارد کردن یک گاز نجیب(معمولا آرگون) به داخل محفظه خلاء شده تا فشار معین(حداکثر ۰.۱ تور) و اعمال ولتاژ DC یا RF(بسته به جنس ماده تارگت) پلاسما تشکیل می‌شود.

لایه نشانی اسپاترینگ دیودی(Diode Sputtering)

الکترون‌های آزاد موجود در پلاسما بلافاصله از قطب منفی‌(کاتد) دور می‌شوند. این الکترون‌های شتاب‌دار در مسیر خود به اتم‌های خنثی گاز(آرگون) برخورد کرده و موجب جدا شدن الکترون‌های لایه آخر این اتم ها می‌شوند. در نتیجه اتم‌های گاز به یون‌های مثبت تبدیل شده و به سمت کاتد شتاب می‌گیرند و موجب پدیده  اسپاترینگ می‌شوند. در فضای پلاسما، برخی از الکترون های آزاد مسیری برای برگشت به لایه آخر یون‌های گازی پیدا کرده و اتم‌های گاز را به حالت پایه خود بر‌می‌گردانند. برگشت اتم از سطح انرژی بالا به سطح پایه منجر به آزاد شدن انرژی به صورت فوتون می‌شود و این فوتون‌ها دلیل نورانی دیده شدن پلاسما هستند. به این مکانیزم، لایه نشانی اسپاترینگ دیودی(Diode Sputtering) می‌گویند. از مشکلات اسپاترینگ دیودی این است که نرخ لایه نشانی آن پایین است و برای انجام لایه نشانی نیاز به زمان بیشتری است که این امر موجب داغ شدن تارگت و آسیب دیدن ساختار اتمی آن می‌شود. 

اسپاترینگ دیودی - DSR1

اسپاترینگ مغناطیسی(Magnetron Sputtering)

با پیدایش روش اسپاترینگ مغناطیسی مشکلات مطرح شده برای اسپاترینگ دیودی حل شد. با قرار دادن تعدادی آهن‌ربا در پشت کاتد، الکترون‌های آزاد در میدان مغناطیسی این آهن‌ربا‌ها درست در نزدیکی سطح تارگت به دام می‌افتند. این الکترون‌ها مانند روش اسپاترینگ دیودی به زیرلایه نمی‌رسند و سطح زیرلایه را بمبارن نمی‌کنند. حرکت این الکترون‌ها در مسیر منحنی منجر شده از میدان مغناطیسی موجب می‌شود که احتمال یونیزه شدن اتم‌های خنثی گاز چند برابر افزایش یابد. افزایش یون‌های برخورد کننده به سطح تارگت موجب افزایش نرخ لایه نشانی می‌شود. تمامی دستگاه‌های لایه نشانی به روش اسپاترینگ ساخت شرکت پوشش های نانوساختار مثل DSR1 ،DST1 ،DST3 مجهز به آهن رباهای پشت کاتد هستند و اسپاترینگ مغناطیسی انجام می‌دهند.

در صورتی که عملیات لایه نشانی از چند کاتد انجام پذیرد می‌توان از تکنیک اسپاترینگ کانونی استفاده کرد. در این تکنیک کاتدها به گونه‌ای در یک الگوی دایره‌ای چیده می‌شوند که دارای یک نقطه کانونی باشند. با قرار گرفتن زیرلایه‌ای که حول محور خودش می‌چرخد در آن نقطه کانونی یا در حوالی آن، لایه‌ای ایجاد می‌شود که دارای یکنواختی بسیار مناسب‌تری نسبت به لایه ایجاد شده با استفاده از یک کاتد است. همچنین اگر نیاز باشد عملیات لایه نشانی از چند ماده مختلف‌(به صورت همزمان برای آلیاژ سازی(Co-Sputtering) یا به صورت غیر همزمان برای ایجاد چند لایه‌ای‌ها(Multi Layers) انجام شود، استفاده از این تکنیک کارآمد است.

با استفاده از تکنیک کانونی کردن کاتدها می‌توان به لایه‌ای یکنواخت بر روی زیرلایه‌ای با قطر دو برابر قطر تارگت دست یافت. همچنین برای موادی که دارای بازده اسپاترینگ کمی هستند می‌توان با استفاده از چند کاتد به صورت همزمان با سرعت بیشتری لایه نشانی را انجام داد. دستگاه اسپاترینگ ۳ کاتده ساخت شرکت پوشش های نانو ساختار در مدل‌های DST3-A و DST3-TA با توجه به مجهز بودن به سه کاتد زاویه‌دار و کانونی شده، قادر به انجام اسپاترینگ کانونی هستند.

اسپاترینگ کانونی(Confocal Sputtering)

اسپاترینگ واکنشی(Reactive Sputtering)

در این نوع از اسپاترینگ اتم‌های جدا شده از تارگت قبل از قرار گرفتن بر روی زیرلایه دچار یک واکنش شیمیایی می‌شوند. در نتیجه لایه نازک ایجاد شده دارای ترکیبی متفاوت از ترکیب ماده تارگت خواهد بود. واکنش شیمیایی بین اتم‌های جدا شده از تارگت و گازهای واکنشی‌(مثل اکسیژن و نیتروژن) که در حین فرایند لایه نشانی وارد محفظه خلاء می‌شوند رخ می‌دهد. با تنظیم میزان ورودی گازهای واکنشی و گاز نجیب(آرگون) مورد استفاده در فرایند اسپاترینگ، می‌توان لایه نازکی با ترکیب و استوکیومتری دلخواه ایجاد کرد. در مدل‌های مختلف دستگاه‌های ساخت شرکت پوشش های نانوساختار مثل DST1 ،DST3 و DSCR، یک یا چند ورودی برای ورود گازهای واکنشی مثل اکسیژن در حین لایه نشانی به محفظه خلاء تعبیه شده است.

اسپاترینگ DC

انواع مختلفی از منابع تغذیه را می‌توان برای لایه نشانی به روش اسپاترینگ به کار برد. نوع منبع تغذیه مناسب برای هر لایه نشانی بستگی به ماده تارگت دارد. اسپاترینگ DC مناسب برای فلزات و موادی است که از نظر الکتریکی رسانا هستند. منبع تغذیه DC استفاده شده در این روش از لایه نشانی دارای پیچیدگی کمتر و کنترل‌پذیری بیشتری نسبت به سایر منابع تغذیه است و هزینه ساخت کمتری نیز دارد. به همین علت اسپاترینگ DC محبوب ترین روش اسپاترینگ از نظر منبع تغذیه است. دستگاه DSR1 ساخت شرکت پوشش های نانوساختار، دستگاه ساده‌ای است که به نسبت سایر مدل‌ها دارای قیمت پایین‌تری نیز هست. این دستگاه، تنها قادر به انجام اسپاترینگ DC است.

اسپاترینگ RF

در صورتی که ماده تارگت از نظر الکتریکی نارسانا باشد یا دارای هدایت الکتریکی کمی باشد، نمی‌توان از اسپاترینگ DC استفاده کرد. همانطور که در قسمت‌های قبل توضیح داده شد، در فرایند اسپاترینگ یون‌های مثبت به سمت تارگت شتاب می‌گیرند و موجب کنده شدن اتم‌های تارگت می‌شوند. در صورتی که هدایت الکتریکی ماده تارگت کم باشد، بار مثبت روی سطح تارگت تجمع کرده و مانع از شتاب‌گیری سایر یون‌های مثبت به سمت تارگت می‌شود و در نتیجه فرایند اسپاترینگ متوقف می‌شود. با استفاده از منبع تغذیه RF، پلاریته پتانسیل الکتریکی در هر دوره تناوب تغییر می‌کند و این امر موجب تخلیه بارهای الکتریکی جمع شده روی سطح تارگت می‌شود. دستگاه های اسپاترینگ مدل‌های DST1-300 ،DST3 ،DST3-T مجهز به منبع تغذیه RF و جعبه تطبیق امپدانس بوده و قادر به انجام اسپاترینگ RF هستند. 

اسپاترینگ RF دستگاه DST3

اسپاترینگ مغناطیسی با پالس‌های قدرت بالا(HIPIMS)

HIPIMS یا High Power Impulse Magnetron Sputtering، یک روش جدید اسپاترینگ است که از پالس‌های توان بالا به منظور افزایش یونیزاسیون تارگت استفاده می‌کند. در مقایسه با اسپاترینگ مغناطیسی معمولی، در این روش اتم‌های یونیزه شده با انرژی بیشتری به زیرلایه می‌رسند که این امر موجب افزایش چگالی و کیفیت لایه نازک ایجاد شده می‌شود.

مدل‌های مختلفی از دستگاه‌های ساخت شرکت پوشش های نانوساختار عملیات لایه نشانی با روش اسپاترینگ را انجام می‌دهند. این دستگاه‌ها بسته به میزان خلاء نهایی که می‌توانند ایجاد کنند، منبع تغذیه مورد استفاده در آن‌ها برای فرایند اسپاترینگ، تعداد کاتدها، ابعاد محفظه خلاء و … به مدل‌های مختلف دسته‌بندی می‌شوند. برای کسب اطلاعات بیشتر راجع به محصولات شرکت پوشش های نانوساختار به سایت این شرکت مراجعه نمایید.

دستگاه‌های اسپاترینگ

 

منابع

  1. http://thinfilmscience.com/Sputtering.aspx
  2. http://www.ajaint.com/what-is-sputtering.html
  3. http://www.semicore.com/what-is-sputtering