لایه نشانی مواد واکنش پذیر
لایههای نازک مواد واکنشپذیر باید در یک محیط بسیار کنترلشده لایهنشانی شوند تا از آلوده شدن لایه حاصل جلوگیری شود و پوشش خالصی با خواص مورد نیاز به دست آید. برخی از مواد منبع لایهنشانی، در برابر تشکیل ترکیبات با سایر مواد بسیار مقاوم هستند. این عناصر شامل فلزات نجیب مانند طلا هستند. در مقابل، برخی دیگر از عناصر قابلیت ترکیب با عناصر محیط پیرامون خود را دارند و به محیط محفظه لایهنشانی بسیار حساس هستند.
در این مقاله، جزئیات بیشتری در مورد لایهنشانی مواد واکنشپذیر و کلیدهای دستیابی به یک پوشش تمیز را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
مواد واکنشپذیر چیستند؟
بیشتر مواد واکنشپذیر میل ترکیبی بالایی با اکسیژن دارند و در محیطهای حاوی اکسیژن، یک ترکیب اکسیدی (واکنش سوختن) تشکیل میدهند. لایهنشانی چنین موادی باید در شرایط خلاء بالا انجام شود زیرا حتی وجود مقدار کمی اکسیژن میتواند مانع از ایجاد یک پوشش خالص شود.
همچنین، برخی از مواد واکنشهای کاتالیزوری با برخی از مواد تشکیلدهنده هوا مانند H۲ یا CO دارند که آنها را نسبت به مقادیر کمی از این ترکیبات حساس میکند. از آنجا که چنین واکنشهایی ممکن است منبع لایهنشانی حاوی ماده واکنشپذیر را آلوده کنند، لایهنشانی این مواد باید در یک محفظه خلاء بالا و (یا) تزریق گاز بیاثر انجام شود.
طبقهبندی واکنشپذیری مواد رسوبی
فلزات نجیب
فلزات نجیب به عناصر شیمیایی فلزی، مانند طلا، نقره و پلاتین، که عموماً در برابر خوردگی مقاوم هستند اطلاق میشود. عدد پتانسیل کاهش استاندارد (SRP) برای هر عنصر، نشاندهنده میل عنصر به ترکیب با اکسیژن و اکسید شدن است. هرچه SRP بالاتر باشد، احتمال اکسیداسیون کمتر است (جدول ۱). عناصر نجیب به دلیل پر بودن اوربیتالهای d، کمترین ترجیح را برای واکنش با اکسیژن دارند.
|
SRP(V) |
عنصر |
|
۱.۵ |
Gold (Au) |
|
۱.۲ |
Pt |
|
۱.۱۶ |
Ir |
|
۰.۹۱۵ |
Pd |
|
۰.۸۵ |
Os |
|
۰.۸۵ |
Hg |
|
۰.۸ |
Rh |
|
۰.۷۹ |
Ag |
|
۰.۶ |
Ru |
جدول ۱. عدد SRP برای مواد مختلف
سایر فلزات
فلزات دیگری نیز وجود دارند که به عنوان نجیب شناخته میشوند، مانند پالادیوم، روتنیم، رودیوم، اسمیوم و ایریدیوم که در حالت اتمی دارای اوربیتال d کامل هستند. اما این عناصر در حالت جامد (نه در حالت اتمی)، به قیمت اشغال باند d یک باندsp تا حدی پر شده دارند. این امر باعث میشود که اگر سطح آنها در شرایط خلاء بالا نگهداری نشود، به سرعت توسط مونوکسید کربن پوشانده شود و کاربردهای کاتالیزوری قابل توجهی از چنین موادی را ایجاد کند.
فلزات قلیایی
مواد با الکترونخواهی (electron affinity) متفاوت، تمایل متفاوتی برای واکنش با اکسیژن دارند. موادی مانند فلزات قلیایی به راحتی در معرض هوا با اکسیژن واکنش میدهند (شکل ۱). لیتیوم نیز یک فلز قلیایی بسیار واکنشپذیر است که به طور گستردهای در تولید باتریهای قابل شارژ مورد استفاده در تلفنهای هوشمند، تبلتها و غیره کاربرد دارد. به دلیل واکنشپذیری بالای لیتیوم، فرآیند لایهنشانی آن باید در یک محفظه خلاء بالا انجام شود تا از هرگونه واکنش نامطلوبی جلوگیری شود.
لایهنشانی لیتیوم
بهترین راه برای لایهنشانی لیتیوم با سرعت لایهنشانی قابل کنترل، روش تبخیر حرارتی است. لایهنشانی این فلز از طریق تکنیکهای دیگر، مانند لایهنشانی کندوپاشی یا تفنگ الکترونی، به دلیل نقطه ذوب پایین آن میتواند چالش برانگیز باشد، زیرا کنترل سرعت لایهنشانی در این روشها بسیار دشوار است.
تبخیر حرارتی فلزات واکنشپذیر
در فرآیند لایهنشانی تبخیر حرارتی مواد، منبع تبخیر باید به اندازه کافی گرم شود تا ذوب و سپس تبخیر شود و در نهایت زیرلایه را بپوشاند. هنگامی که یک لایه اکسید روی یک منبع تبخیر مانند لیتیوم تشکیل میشود، برای شکستن لایه اکسید (که رسانای حرارتی نیست) و ذوب فلز محصور شده در زیر آن، به توان بالاتری نیاز است. این گرمای شدید باعث تبخیر ناگهانی لیتیوم میشود که منجر به لایهنشانی کنترل نشده ماده منبع میشود.
برای جلوگیری از اکسیداسیون، تارگت لیتیوم باید در محیط گاز آرگون یا روغن نگهداری شود و محفظه لایهنشانی آن باید تا حد امکان از اکسیژن خالی شود. به همین منظور، شرکت پوششهای نانوساختار امکانی را فراهم کرده است که تبخیرکنندههای حرارتی DTT و DTE بتوانند با یک Glovebox ادغام شوند تا از اکسیداسیون موادی مانند لیتیوم جلوگیری شود. اگر میخواهید مواد بسیار واکنشپذیر مانند لیتیوم را با روش تبخیر حرارتی تبخیر کنید، حتماً مشخصات سیستمهای رسوب تبخیر حرارتی DTT و DTE تولید شده توسط شرکت پوششهای نانوساختار را مشاهده کنید.
واکنشپذیری سطح تارگتهای اسپاترینگ
واکنشپذیری سطح تارگتهای فلزی
مشخصات تارگت اسپاترینگ باید قبل از شروع فرآیند لایهنشانی اسپاترینگ به طور کامل در نظر گرفته شود. در صورت استفاده از تارگتهای فلزی، خلوص لایه پوشش داده شده بسیار مهم است، بنابراین مطالعه واکنشپذیری سطح تارگتها قبل از استفاده از آنها ضروری است.
واکنشپذیری تارگتهای اسپاترینگ فلزات نجیب
با توجه به مقاومت در برابر واکنشپذیری ماده هدف، فرآیند نگهداری و تمیز کردن تارگت و همچنین سطح خلاء مورد نیاز در داخل محفظه لایهنشانی متفاوت است. سطوح فلزات نجیب (مانند طلا) را میتوان به راحتی تمیز کرد و برای مدت طولانی تمیز نگه داشت، در حالی که سطوح فلزی واکنشپذیرتر، مانند سطوح پلاتین یا پالادیوم، در شرایط خلاء پایین، خیلی سریع توسط مونوکسید کربن پوشانده میشوند.
مطالعه موردی: ترکیبات کربنی درون محفظه کندوپاش پالادیوم
در تحقیقی که توسط اس. فوکس و همکارانش انجام شد، سرعت واکنش فلزات نجیب Pt، Pd و Rh به شکل فویلها، روبانها و سیمهای پلی کریستالی با اندازهگیری اکسیداسیون کاتالیز شده CO توسط O۲ مورد مطالعه قرار گرفت. همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، مقادیر سرعت واکنش اندازهگیری شده در فشارهای کل بیش از ۱ میلی بار مطابق با بیشترین واکنشها روی کاتالیزورهای فلزات نجیب مانند Pt، Pd و Rh است.
افزایش فشار CO (و در نتیجه فشار پایه) و دمای Pd (هدف) سرعت واکنش را افزایش میدهد. این شرایط باعث افزایش واکنشهای پیوند کربن-کربن میشود که با حضور هدف پالادیوم به عنوان کاتالیزور تسهیل میشود. در نتیجه، مادهای سیاهرنگ سپر تاریک هدف، نمونه و محفظه را کمی میپوشاند که میتوان آن را به ترکیبات کربنی تشکیل شده توسط Pd در داخل محفظه با دمای بالا نسبت داد.
فلزات اکسید شونده
فلزات اکسید شونده مانند آلومینیوم، تنگستن و کروم نیز به محیطهای حاوی اکسیژن حساس هستند. این موضوع میتواند از تولید یک لایه نازک از فیلم فلزی خالص در شرایط خلاء پایین جلوگیری میکند. تشکیل یک لایه اکسید نازک روی سطح هدف قبل از شروع فرآیند لایهنشانی، یا واکنش ماده هدف اسپاتر شده در طول فرآیند پوششدهی، منجر به تشکیل یک لایه با رسانایی ضعیف میشود که نامطلوب است. پوششدهندههای DST1 و DSCT با خلاء بالا برای لایهنشانی تمیز و دقیق فلزات اکسید شونده ایدهآل هستند.
مطالعه موردی: کندوپاش آلومینیوم
از تارگتهای کندوپاش آلومینیومی میتوان در تکنیکهای مختلف کندوپاش، مانند کندوپاش دوقطبی DC، کندوپاش RF، کندوپاش پرتو یونی و کندوپاش مگنترون برای تولید پوششهایی با اهداف مختلف، مانند پوششهای بازتابنده، فیلمهای رسانا، فیلمهای نازک نیمهرسانا، فیلمهای خازنی، پوششهای تزئینی و محافظ، مدارهای مجتمع، نمایشگرها و غیره استفاده کرد. آلومینیوم به دلیل قیمت پایینتر در مقایسه با سایر تارگتهای کندوپاش، به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد.
آلومینیوم یک فلز اکسیدکننده است، بنابراین فرآیند رسوبگذاری برای رسوب تارگت آلومینیوم باید در شرایط خلاء بالا و با فشار پایه حدود ۵-۱۰*۵ تور انجام شود. فرآیند پوششدهی باید شامل یک مرحله پیش از کندوپاش اولیه با یک شاتر بسته برای محافظت از زیرلایه در برابر جریان پلاسما باشد.
در طول فرآیند پیش از اسپاترینگ، توصیه میشود جریان پلاسما به تدریج تا سطح مورد نظر افزایش یابد تا لایه اکسید حذف شود و پلاسما برای چند دقیقه پایدار بماند. هنگامی که سطح هدف تمیز شد، فرآیند لایهنشانی میتواند آغاز شود.
لایه نشانی مواد واکنش پذیر و محصولات ما
فلزات اکسیدشونده، از جمله آلومینیوم و کروم، مستعد تشکیل لایههای اکسید عایق هستند که مستلزم استفاده از محفظه لایهنشانی خلاء بالا و رویههای پیش-کندوپاش دقیق برای اطمینان از لایهنشانی لایههای نازک با کیفیت بالا است. علاوه بر این، لایهنشانی منابع لیتیوم بسیار واکنشپذیر به روش تبخیر حرارتی توسط مدلهای DTT و DTE امکانپذیر است.
شرکت پوششهای نانوساختار تنظیمات کندوپاش و شرایط محفظه سفارشی را برای دستیابی به خواص شیمیایی مطلوب از مواد هدف مختلف ارائه میدهد تا آلودگی را به حداقل برساند، خلوص لایه را تضمین کند و راندمان فرآیند را بهبود بخشد. همچنین، پوششدهندههای کندوپاش چند کاتدی شرکت پوششهای نانوساختار (با قابلیت نصب تبخیرکننده حرارتی)، مانند DST2-TG و DST3 سطح خلاء را در هنگام تغییر روش و یا نوع هدف لایهنشانی حفظ مینماید.
برخی از دستگاههای لایه نشانی در خلاء ما
منابع
- https://en.wikipedia.org/wiki/Noble_metal
- S. Fuchs, T.Hahn, H.G. Lintz, “The oxidation of carbon monoxide by oxygen over platinum, palladium and rhodium catalysts from 10−۱۰ to 1 bar”, Chemical engineering and processing, 1994, V 33(5), pp. 363–۳۶۹.
- https://www.sputtertargets.net/an-overview-of-aluminum-sputtering-target.html
- https://studyrocket.co.uk/revision/gcse-chemistry-combined-science-ocr/reactions-and-products/reactivity-of-metals
- https://www.lesker.com/newweb/ped/rateuniformity.cfm
- https://www.lesker.com/leskertech/archives/0g11m3h/leskertech_v7_i1.pdf