تاثیر فشار محفظه بر اندازه دانه‌بندی در لایه‌های نازک در لایه‌نشانی به روش اسپاترینگ
به منظور کاهش ذرات هوا در محفظه لایه‌نشانی و تشکیل لایه‌ای تمیز، لایه‌های نازک در یک محفظه خلاء با فشاری بسیار کمتر از فشار هوای اتمسفر تهیه می‌شوند. در لایه‌نشانی به روش اسپاترینگ، آرگون خالص نیز وارد محفظه می‌شود تا علاوه بر کمک به خروج بیشتر هوای باقیمانده در محفظه، نرخ لایه‌نشانی را نیز افزایش دهد. با تخلیه محفظه‌ای که توسط گاز آرگون پرشده، ذرات گوناگون موجود در محیط، مانند نیتروژن، اکسیژن، دی‌اکسید کربن و بخار آب، به مرور از محفظه خارج می‌شوند. همچنین، کندی خروج بخار آب از محفظه یکی از مهمترین موانع دستیابی به سطوح بالاتر خلاء است.
پمپ‌های خلاء در لایه نشانی اسپاترینگ
به طور کلی دو نوع پمپ خلاء در فرآیند لایه‌نشانی مورد استفاده قرار می‌گیرند که سطح خلاء قابل دستیابی توسط هر یک از آنها متفاوت است: پمپ روتاری و پمپ توربومولکولار. پمپ روتاری محفظه را به خلاء متوسط (حداکثر تا ۳-۱۰ torr) می‌رساند. در حالیکه، پمپ توربومولکولار قادر است محفظه لایه‌نشانی را به خلاءهای بالاتر (حدود ۷-۱۰ torr) برساند. برای لایه‌نشانی مواد مختلف با کاربردهای گوناگون سطوح خلاء متفاوتی مورد نیاز است.
برای لایه‌نشانی فلزات نجیبی مانند طلا، خلاء متوسط کافی است ولی برای لایه‌نشانی لایه‌های نازک موادی با سایز دانه‌های کوچکتر، مانند کروم، تنگستن و ایریدیوم، خلاءهای بالاتری مورد نیاز است. طلا، به عنوان یک لایه رسانا، معمولا به دلیل رسانایی الکتریکی بسیار خوب به ویژه به منظور آماده سازی نمونه برای مشاهده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد استفاده قرار می‌گیرد، ولی بزرگی اندازه دانه‌های آن مانع دستیابی به وضوح بیشتر در تصاویر میکروسکوپ الکترونی است.
امروزه فلزاتی چون پلاتین، کروم یا ایریدیوم برای دستیابی به لایه‌های با تفکیک‌پذیری بالاتر استفاده می‌شوند، ولی لایه‌نشانی این مواد نیازمند استفاده از پمپ توربومولکولار برای ایجاد محیط با خلاء بالا در دستگاه‌های اسپاترینگ است. اندازه دانه لایه‌های نازک مواد مختلف در سطوح خلاء متفاوت، به منظور کاربرد در آماده‌سازی نمونه‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی در جدول ۱ آمده است.
با توجه به تنوع روش‌های لایه نشانی در خلاء و عدم بهره‌وری همه روش‌ها برای مواد گوناگون، جهت انجام لایه نشانی کارآمد هر ماده باید از جدول لایه نشانی مواد استفاده نمود. این جدول، اطلاعات جامع و کامل در مورد ویژگی‌های هر ماده و روش لایه نشانی مناسبش را در اختیار علاقه‌مندان و کاربران دستگاه‌های لایه نشانی در خلاء قرار می‌دهد.
بنابراین، استفاده کنندگان با مراجعه به جدول لایه نشانی مواد می‌توانند بهترین روش لایه نشانی را برای پژوهش‌های خود انتخاب کنند و از صحیح بودن آن اطمینان حاصل نمایند (برای مشاهده جدول لایه نشانی مواد به لینک روبه رو مراجعه نمایید).
جدول ۱. برخی ویژگی‌های لایه‌های نازک مواد مختلف لایه‌نشانی شده به روش اسپاترینگ [۱]
| ماده مورد لایه‌نشانی | اندازه دانه (nm) | بیشترین بزرگنمایی | خلاء مورد نیاز |
| طلا | ۱۲-۱۰ | ۱۰,۰۰۰x | متوسط |
| طلا/پلاتین | ۸-۴ | ۲۵,۰۰۰x | متوسط |
| پلاتین | ۳-۲ | ۵۰,۰۰۰x | بالا |
| ایریدیوم | ۲-۱ | ۱۰۰,۰۰۰x | بالا |
| کروم | ۲-۱ | ۱۰۰,۰۰۰x | بالا |
| تنگستن | <1 | ۲۰۰,۰۰۰x | بالا |
بنابراین، سطوح متفاوت خلاء بر لایه‌نشانی اسپاترینگ و کیفیت لایه‌های نازک ایجاد شده، نقش به سزایی دارد. به عنوان مثال، در لایه‌نشانی پلاتین حضور اکسیژن در محفظه به هنگام لایه‌نشانی موجب ایجاد ترک‌هایی در لایه می‌شود که به آنها “ترک‌های تنشی” گفته می‌شود. این مطلب میتواند اهمیت به کارگیری خلاء مناسب در لایه‌نشانی اسپاترینگ بر کیفیت لایه پلاتین را نشان دهد.
همچنین، پژوهشگران با بررسی تاثیر فشار بر اندازه دانه‌های پلاتین در تحقیقی دیگر، به این نتیجه رسیده‌اند که در اثر برخورد ذرات کندوپاش شده فلز با ذرات گاز موجود در محفظه در ۱۰۰ mTorr، ذرات لایه‌نشانی شده گردتر هستند. به علاوه، مکان‌های دانه‌بندی منظم‌تر در خلاءهای بالاتر، منجر به تشکیل لایه‌های یکنواخت‌تر می‌شود. در فشارهای بالاتر مکان‌های دانه‌بندی در فواصل بیشتری نسبت به هم قرار می‌گیرند (تشکیل دانه‌های بزرگتر)، در حالی که در فشارهای پایین‌تر دانه‌ها کوچکتر می‌شوند (شکل ۱).
دستگاه‌های اسپاترینگ
محصولات شرکت پوشش‌های نانوساختار، شامل سیستم‌های لایه‌نشانی به روش اسپاترینگ، لایه‌نشانی کربن، لایه‌نشانی تبخیر حرارتی و لایه‌نشانی لیزر پالسی، هستند که با وجود پمپ‌های خلاء روتاری و توربومولکولار امکان دستیابی به درجات مختلف خلاء برای لایه‌نشانی لایه‌های نازک با کیفیت، را فراهم می‌کنند.
دستگاه‌های لایه‌نشان اسپاترینگ DSR1 و DST1 از جمله دستگاه‌های لایه نشانی این شرکت هستند که برای ساخت لایه نازک‌ها از روش اسپاترینگ استفاده می‌کنند. دستگاه اسپاترینگ رومیزی DSR1 با استفاده از پمپ خلاء روتاری قادر به لایه‌نشانی در خلاء پایین است و دستگاه لایه‌نشانی اسپاترینگ DST1 مجهز به یک پمپ توربومولکولار است که قادر است سطح خلاء بالاتری را فراهم نماید. این دو دستگاه انتخاب‌های مناسبی برای آماده‌سازی نمونه‌های میکروسکوپ الکترونی هستند (لایه‌نشان‌های میکروسکوپ الکترونی).
دستگاه‌های لایه‌نشانی اسپاترینگ همراه با تبخیر حرارتی (DST3 و DST3-T)، مگنترون اسپاترینگ رومیزی (DST1-300 و DST1-170) و دستگاه اسپاترینگ و لایه‌نشان کربن رومیزی با پمپ توربومولکولار (DSCT و DSCT-T)، از دیگر محصولات شرکت پوشش‌های نانوساختار می‌باشند که توانایی لایه‌نشانی لایه‌های نازک در سطوح خلاء متفاوت را دارا هستند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد این محصولات به وبسایت شرکت مراجعه نمایید.
منابع
- https://www.cambridge.org/core/journals/microscopy-today/article/target-material-selection-for-sputter-coating-of-sem-samples/089A8657A8345CFFCF963BED868578D4
- https://www.emsdiasum.com/microscopy/technical/datasheet/sputter_coating.aspx
- “Effect of pressure on dc planar magnetron sputtering of platinum”, May 2003 Journal of Vacuum Science & Technology A Vacuum Surfaces and Films ۲۱(۳):۵۷۲-۵۷۶
- https://www.shinmaywa.co.jp/vac/english/vacuum/vacuum_2.html
- “Base Pressure Effects on the Structure, Surface Roughness and Electrical Resistivity of Mo Thin Films by RF Magnetron Sputtering”, February 2011 Advanced Materials Research, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.213.161
روزبخیر. ببخشید اندازۀ دانه بندی کریستالی روی رسانش الکتریکی لایه تاثیر داره؟
وقت بخیر. رسانش الکتریکی پلی کریستالها به شدت وابسته به رسانش الکتریکی مرزدانه های میان مناطق کریستالی یا ذرات است. با کاهش اندازه مناطق کریستالی، درصد مرزدانه ها در لایه افزایش می یابد. از آنجا که در مرزدانه ها نواقص و ناخالصی های زیادی نسبت به مناطق کریستالی وجود دارد، تغییر اندازه مناطق کریستالی در لایه تاثیر زیادی در رسانش الکتریکی آن دارد.