اثر فشار گاز محفظه بر نرخ لایه نشانی

Magnetron Sputtering

که در اینجا N_s تعداد اتم‌های کندوپاش شده در ثانیه (نرخ کندوپاش)، N_p تعداد یون‌های اولیه در واحد زمان و (K(E_۰ ضریب کندوپاش ماده کاتد است که بستگی به انرژی یون‌های گاز محفظه دارد. (K(E_۰ از نظر عددی برابر است با نسبت تعداد یون‌های اولیه که کاتد را بمباران می‌کنند به تعداد اتم‌هایی که در اثر بمباران یونی از کاتد بیرون می‌آیند و مقدار (K(E_۰ نمایانگر بازده کندوپاش است. در طیف انرژی‌های یون‌های برخوری به کاتد (کمتر از eV 1000)، معمولا ضریب کندوپاش متناسب با انرژی یون‌ها است.

انرژی یون‌های گاز محفظه به ولتاژ تخلیه مگنترون و در نتیجه به فشار محفظه، وابسته است. بنابراین، ضریب اسپاترینگ و نرخ کندوپاش نیز وابسته به فشار کار محفظه است. تعداد یون‌های اولیه N_p برخوردکننده به سطح کاتد در هر ثانیه با توجه به این که تنها یون‌های موجود در ناحیه تخلیه الکتریکی نزدیک کاتد، در فرآیند انتقال جریان دخیل هستند، مشخص می‌شود. به عبارت دیگر، N_p متناسب با جریان تخلیه مگنترون است:

(N_p = I/e            (۲

که در رابطه (۲)، I جریان تخلیه مگنترون و e بار الکترون است.

برای توصیف انتقال (Transport) اتم‌های کندوپاش شده، باید توزیع طول پویش آزاد میانگین (Mean Free Path) و پراکندگی آن‌ها توسط اتم‌های گاز محفظه را نیز در نظر گرفت. علاوه بر این، یک تخمین ساده بر اساس برخورد الاستیک نشان می‌دهد اگر جرم اتم‌های کاتد و گاز محفظه قابل مقایسه باشد، اتم کندوپاشی مقدار زیادی از انرژی خود را در این برخورد از دست می‌دهد. بنابراین اتم‌های بدون برخورد در انتقال انرژی به سطح زیرلایه، نقش بیشتری دارند و در اینجا مورد بررسی قرار می‌گیرند.

احتمال برخورد اتم‌های کندوپاش شده هدف با گاز محفظه، (C(L، در صورتی که طول پویش آزاد اتم‌ها از فاصله کاتد–زیرلایه بیشتر نباشد، با رابطه زیر داده می‌شود:

(C(L) = 1-exp(-L/λ)             (۳

که در آن L فاصله بین کاتد–زیرلایه و λ طول پویش آزاد محاسبه شده در یک فشار مشخص با توجه به رابطه زیر است:

(λ= (k _B T)/(√۲ P_g σ)          (۴

که در اینجا P_g کل فشار تولید شده توسط اتم‌های کندوپاشی و اتم‌های گاز محفظه است، k_B ثابت بولتزمن، T دما و σ سطح مقطع کل، شامل برهمکنش‌ها، تبادل تکانه بین ذرات برخوردکننده و فرآیندهای یونیزاسیون وبرانگیختگی اتم‌هاست. شکل ۱ بستگی نسبت اتم‌های کندوپاشی برخوردکننده در حال ترابرد در فاصله کاتد–زیرلایه در فشارهای محفظه مختلف را نمایش می‌دهد.

بنابراین تعداد اتم‌های کندوپاشی N_f که در فشار P_g دچار برخورد می‌شوند برابر است با:

(N_f = I K(E_۰)/e exp((√۲ P_g σL)/(k_B T))       (۵

به عنوان مثال، اگر فشار محفظه از ۱.۵ به ۸.۵ میلی‌تور افزایش پیدا کند، با کاهش ۹۰ درصدی اتم‌های کندوپاشی پراکنده نشده در فاصله کاتد–زیرلایه، نرخ رشد لایه سیلیکون حدود ۲۵% کاهش می‌یابد. برای مطالعه بیشتر به این مقاله می‌توانید مراجعه نمایید.

بررسی موردی لایه نشانی نقره به روش مگنترون اسپاترینگ

شرکت پوشش‌های نانوساختار برای لایه‌نشانی لایه‌های نازک مواد مختلف، دستگاه‌های لایه‌نشانی متنوعی با پمپ توربومولکولار دارد مانند سیستم‌های لایه‌نشانی اسپاترینگ رومیزی خلاء بالا (DST1) و دستگاه سه کاتده (DST3) به همراه تبخیر حرارتی (DST3-T) و سیستم‌ لایه‌نشان کربن (DCT) ارائه می‌دهد. برای اطلاعات بیشتر به سایت شرکت مراجعه نمایید.