unbalanced & balanced magnetron sputtered source
unbalanced & balanced magnetron sputtered source

روش لایه نشانی اسپاترینگ برای اولین بار در سال ۱۸۵۲ معرفی شد و توسط شخصی به نام گرو مورد استفاده قرار گرفت. گرو توانست با استفاده از تخلیه الکتریکی، لایه فلز را روی کاتد سرد لایه نشانی کند. در ابتدا از اسپاترینگ برای لایه نشانی فلزات دیرگداز که لایه نشانی آن ها با روش تبخیر حرارتی ممکن نبود استفاده می شد اما به تدریج و با استفاده از امواج دارای فرکانس رادیویی (RF)، امکان لایه نشانی دی الکتریک ها نیز با استفاده از روش اسپاترینگ فراهم شد.

اسپاترینگ 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 پیوندی بین اتم های تارگت در راندمان آن مؤثرند. یون های فرود آمده بر سطح ماده هدف یا جذب سطح شده و یا بازتاب می شوند. با افزایش انرژی، یون ها به داخل شبکه ماده هدف نفوذ کرده و تخریب فیزیکی سطح آغاز می شود و زمانی که مقدار انرژی به بیشتر از آستانه انرژی پیوندی برسد، اتم ها شروع به کنده شدن از سطح می کنند.

کم ترین انرژی مورد نیاز برای کنده شدن یک اتم از سطح ماده هدف، مقدار انرژی است که به آن انرژی اولیه می گویند. معمولا مقدار انرژی اولیه حدود ۳ الی ۴ برابر انرژی پیوندی اتم های سطح ماده هدف است. با ایجاد اختلاف پتانسیل بین کاتد (جایی که ماده هدف قرار داده می شود) و آند (که درحقیقت دیواره محفظه و زیرلایه متصل به زمین می باشند)، گاز خنثی موجود در محفظه (مانند آرگون) یونیزه شده و پلاسما شکل می گیرد. یون های تولید شده، به سمت کاتد که در پتانسیل منفی قرار گرفته است شتاب می گیرند. در صورتی که انرژی منتقل شده از یون های فرودی به سطح ماده هدف (که در کاتد قرار گرفته است) از انرژی اولیه بیشتر باشد، اتم های کنده شده نیز با سایر اتم ها برخورد کرده و انرژی به صورت آبشاری تقسیم می شود. اتم های کنده شده از سطح ماده هدف در مسیر رسیدن به سطح زیرلایه پس از چند برخورد، با انرژی باقیماده خود به زیرلایه می رسند. 

در صورتی که در فرایند اسپاترینگ از میدان مغناطیسی برای کنترل حرکت الکترون ها استفاده شود، به آن مگنترون اسپاترینگ می گویند. این میدان توسط آهن رباهایی که در شکل و اندازه های گوناگون در پشت کاتد گذاشته می شوند، ایجاد می شود. توسط این میدان مغناطیسی می توان الکترون های ثانویه که در حین بمباران یونی سطح ماده هدف گسیل می شوند را در نزدیکی سطح ماده هدف، به دام انداخت تا قبل از جذب مجدد موجب یونیزاسیون اتم های آرگون شوند و بدین ترتیب موجب شکل گیری پلاسما در فشارهای کم و بقای پلاسمای شکل گرفته شده شوند. استفاده از مگنترون اسپاترینگ به دو شیوه صورت می پذیرد که به نحوه پیکربندی آهن رباها مربوط می شود. مگنترون اسپاترینگ معمول تعادلی (Balance) و  مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی (Unbalance). در مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی، پلاسما به سمت زیرلایه نیز کشیده می شود و یون های آرگون، لایه نازک در حال رشد را نیز بمباران می کنند. 

دستگاه های مگنترون اسپاترینگ برای به دام انداختن الکترون ها در اطراف کاتد، از ساختار دو قطبی استفاده می کنند. دو قطبی ها نه تنها این امکان را فراهم می آورند که در فشار کم (کمتر از ۲-۱۰ میلی بار) عمل تخلیه الکتریکی انجام شود، بلکه نرخ برانگیختگی و یونیزاسیون را نیز بهبود می بخشند. این دو قطبی با استفاده از چینش ردیف هایی از آهن رباهای دائمی ایجاد می شود. قرار گرفتن آهن رباها به گونه ای است که ترکیب های S-N-S یا N-S-N شکل بگیرد و آهن ربای مرکزی (داخلی) دارای قطبش مخالف دو ردیف دیگر باشد. معمولا آهن رباهای خارجی روی حلقه های آهنی جاگذاری می شوند. در صورتی که تمام آهن رباها دارای قدرت یکسانی باشند، تمام خطوط میدان خارج شده از آهن رباهای خارجی از آهن ربای مرکزی می گذرند. در این حالت که به آن مگنترون اسپاترینگ تعادلی (Balanced Magnetron sputtering) می گویند، الکترون ها نمی توانند از میدان مغناطیسی فرار کنند و در نتیجه پلاسما فقط در اطراف کاتد باقی می ماند (۱.۲).

balanced magnetron sputtering

مگنترون اسپاترینگ تعادلی (۳)

از طرف دیگر، در صورتی که آهن ربای مرکزی نسبت به آهن رباهای خارجی ضعیف تر باشد، تمام خطوط میدان خارج شده از آهن رباهای خارجی از آهن ربای مرکزی نخواهند گذشت و در نتیجه این شکل از میدان، تعدادی از الکترونهای موجود در پلاسمای اطراف کاتد از میدان مغناطیسی خارج شده و به سمت زیرلایه حرکت می کنند. حضور الکترون ها در اطراف زیرلایه موجب یونیزاسیون اتم های گاز خنثی و کشیده شدن پلاسما به این ناحیه می شود. یون های پر انرژی ایجاد شده زیرلایه را بمباران می کنند که این امر موجب افزایش کیفیت لایه نازک در حال رشد می شود. به این حالت از مگنترون اسپاترینگ، مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی می گویند.

unbalanced magnetron sputtering

مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی (۳)

محققان هندی با بررسی اثر استفاده از مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی بر ویژگی های لایه نازک دی اکسید قلع، موفق به بهبود ویژگی های نوری، الکتریکی و ساختاری لایه نازک دی اکسید قلع شده اند.

دی اکسید قلع از جمله موادی است که به علت پتانسیل های بالقوه ای که دارد در کاربردهایی مثل ساخت الکترودها، لایه های شفاف، سلول های خورشیدی ناهمگون، افزاره های اپتوالکترونیک، سنسورهای گاز و ترانزیستورهای لایه نازک بسیار مورد توجه قرار گرفته است. از آنجایی که ویژگی های لایه های نازک به شرایط ایجاد و روش لایه نشانی آن ها بستگی دارد مطالعات فراوانی برای لایه نشانی این ماده به گونه ای که بتوان کاربرد بهینه ای از آن گرفت، انجام شده است  (۴).

مطالعات این گروه تحقیقاتی بر روی لایه نازک دی اکسید قلع لایه نشانی شده روی زیرلایه سیلیکون با استفاده از مگنترون اسپاترینگ RF غیر تعادلی انجام گرفته است. طبق نتایج این مطالعات در طی فرایند مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی با توان کم (۱۵۰ وات)، ساختار لایه نازک ایجاد شده از نظر کریستالوگرافی به صورت رندوم بیشتر در جهات (۱۱۰)، (۱۰۱) و (۲۱۱) شکل گرفته است و جهات (۲۰۰) و (۱۱۱) کمتر مشاهده شده است. با افزایش توان به ۲۰۰ وات، جهت (۱۰۱) غالب شده است. نتایج XRD تایید می کنند که لایه نازک ایجاد شده توسط روش مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی از نظر ویژگی های کریستالی در تمام توان های RF اعمالی، با کیفیت تر از لایه نازک ایجاد شده توسط روش معمول مگنترون اسپاترینگ تعادلی است. این نشان می دهد که کیفیت کریستالی و جهت گیری کریستالوگرافی لایه نازک دی اکسید قلع با انتخاب روش مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی و تغییر توان اعمالی قابل کنترل است. این اثر به دلیل کریستال بندی دوباره (re-crystallization) لایه نازک نشانده شده بر اثر بمباران یونی آن است.

با بررسی نمودار C-V لایه های نازک ایجاد شده توسط روش مگنترون اسپاترینگ تعادلی و غیر تعادلی مشخص می شود که اثر هیسترزیس در فرکانس ۱ مگاهرتز در تمام توان های اعمالی وجود دارد. در نمودار مربوط به لایه نازک ایجاد شده توسط روش مگنترون اسپاترینگ تعادلی با افزایش توان اعمالی اثر هیسترزیس کاهش می یابد. از طرف دیگر برای لایه نازک لایه نشانی شده توسط روش مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی، با افزایش توان اعمالی اثر هیسترزیس افزایش می یابد. با افزایش توان به ۲۵۰ وات نمودار C-V وقوع یک شیفت در خلاف جهت عقربه های ساعت را نشان می دهد که بیانگر شیفت ۳ ولتی باند فلت (flat band) لایه نازک لایه نشانی شده با روش مگنترون اسپاترینگ غیر تعادلی است. این پدیده امکان استفاده از این لایه نازک را در ساخت افزاره های حافظه ای گیرنده و آزاد کننده الکترون (  electron trapping and de-trapping memory device) نشان می دهد. به طور کلی بررسی نمودار C-V مربوط به هر دو روش تعادلی و غیر تعادلی نشان می دهد که در اثر برخورد یون های پر انرژی در روش غیر تعادلی تعدادی تله الکترونی در ساختار ایجاد و یا از بین رفته است.

C-V diagrams for unbalanced & balanced magnetron sputtered source

نمودار های C-V مربوط لایه های نازک ایجاد شده به دو روش مگنترون اسپاترینگ تعادلی و غیرتعادلی در ولتاژهای اعمالی مختلف

در صورت تمایل به مطالعه بیشتر به لینک زیر مراجعه نمایید:

https://doi.org/10.1016/j.cap.2019.03.016