اسپاترینگ پرتو یونی چیست؟
اسپاترینگ پرتو یونی (IBS) یکی از روش‌های لایه نشانی بخار فیزیکی (PVD) است که بالاترین دقت و کنترل روی لایه‌نشانی را در مقایسه با دیگر روش‌ها نظیر تبخیر حرارتی، DC و RF مگنترون اسپاترینگ و لایه نشانی لیزر پالسی (PLD) فراهم می‌کند. لایه‌های ایجاد شده به روش IBS به دلیل فشار پایین محفظه حین لایه‌نشانی و انرژی بالای یون‌های اصابت‌کننده به هدف، دارای کیفیت بالایی هستند. مزیت‌های متعدد اسپاترینگ باریکه یونی از قبیل یکنواختی لایه، پایداری، کنترل دقیق ضخامت و امکان لایه‌نشانی مواد مختلف (رسانا، دی‌الکتریک، فلزات دیرگداز و …) است که این روش را به یکی از تکنیک‌های محبوب متخصصان اپتیک، حسگرها (MEMS, NEMS)، سلول‌های خورشیدی لایه نازک و نیمه‌هادی‌ها تبدیل می‌کند.
تعریف اسپاترینگ پرتو یونی یا IBS
اسپاترینگ پرتو یونی (IBS) که لایه نشانی پرتو یونی (IBD) نیز نامیده می‌شود، یکی از تکنیک‌های ایجاد لایه نازک باکیفیت از مواد مختلف مثل فلزات، نیمه‌هادی‌ها و دی‌الکتریک‌ها است. این تکنیک لایه‌نشانی به طور گسترده در صنعت اپتیک، که لایه‌های متراکم و یکنواخت ضروری هستند، کاربرد دارد. اسپاترینگ باریکه یونی در تکرارپذیری، ناخالصی بسیار کم لایه و کنترل دقیق استوکیومتری نسبت به روش متداول مگنترون اسپاترینگ (MS) برتری دارد. در فرآیند لایه نشانی پرتو یونی، پرتوی پهنی از یون‌های موازی به هدف برخورد می‌کند؛ در نتیجه این برخورد، اتم‌های (مولکول‌های) هدف از سطح کنده شده و روی زیرلایه می‌نشینند.
سازوکار
در یک فرآیند اسپاترینگ، در اثر برخورد یون‌های پرانرژی گاز نجیب (آرگون یا زنون) به هدف، اتم‌های (یا مولکول‌های) هدف از سطح کنده می‌شوند. این ذرات جدا شده از هدف انرژی جنبشی بزرگی در محدوده ۱۰-۱ الکترون‌ولت دارند و از همین رو، لایه‌ای بسیار متراکم و بدون حفره ایجاد می‌کنند. طرحواره‌ای از فرآیند اسپاترینگ در شکل ۱ نمایش داده شده است.
مولفه‌های اصلی محفظه اسپاترینگ پرتو یونی آنچنان که در شکل ۲ نشان داده شده عبارتند از: چشمه یونی، هدف و نگهدارنده زیرلایه. درون چشمه یونی، ولتاژ بالای ۲-۱۰ کیلوولت بین کاتد و آند هم‌محور اعمال می‌شود و اتم‌های آرگون را یونیزه می‌کند. یون‌های مثبت آرگون به سمت توری (Grid) یا فیلامان در گلوگاه (Throat) چشمه یون شتاب می‌گیرند و در مسیرشان به سمت هدف، چشمه را ترک می‌کنند. چشمه یونی به کار رفته در سیستم IBS، باریکه یونی با انرژی بالا تولید می‌کند، به همین دلیل، لایه نازک ایجاد شده با این روش، چسبندگی عالی به زیرلایه دارد.
فشار نوعی محفظه لایه نشانی باریکه یونی، ۱۰-۴ Torr است و کمتر از فشار محفظه در طول فرآیند متداول مگنترون اسپاترینگ می‌باشد. علت کمتر بودن این فشار، محدود شدن پلاسما درون چشمه یونی به جای پخش شدن در محفظه است که فشار پایینی برای محفظه رقم می‌زند و در کاهش ناخالصی‌های لایه مفید است.
اسپاترینگ پرتو یونی به روش‌های دیگری نیز برای لایه‌نشانی لایه‌های نازک استفاده می‌شود که در ادامه معرفی می‌شوند:
-
لایه‌نشانی با پرتو یونی کمکی (Ion Beam Assisted Deposition)
در مواردی، یک چشمه یون ثانویه نیز با هدف تمیز کردن سطح هدف، قبل از لایه‌نشانی یا انجام لایه‌نشانی به کمک یون (IBAD) به کار گرفته می‌شود. لایه‌نشانی به کمک یون به خصوص برای ایجاد لایه‌های اکسیدی یا نیتریدی مفید است چرا که چگالی، خواص اپتیکی و پایداری تحت رطوبت لایه را بهبود می‌بخشد. در این روش از چشمه یونی ثانویه به عنوان چشمه یونی کمکی یاد می‌شود.
-
لایه‌نشانی پرتو یونی واکنشی (Reactive Ion Beam Deposition)
برای انجام اسپاترینگ پرتو یونی واکنشی (Reactive Ion Beam Sputtering)، علاوه بر یون‌های گاز نجیب (معمولا آرگون)، یک گاز واکنشی (مثل اکسیژن یا نیتروژن) هم وارد محفظه می‌شود که پس از واکنش با اتم‌های کنده شده از سطح هدف، ترکیب اکسید یا نیترید روی زیرلایه تشکیل می‌دهد.
چیدمان چند تارگتی (Multi-Target Configuration) لایه‌نشانی آلیاژها یا ترکیبات را از هدف‌های چندگانه در یک فرایند واحد امکان‌پذیر می‌سازد. چرخش زیرلایه حین لایه‌نشانی در بهبود یکنواختی لایه مفید است. برای ارتقا کیفیت لایه، نگهدارنده زیرلایه با چرخش سیاره‌ای نسبت به نگهدارنده تک‌چرخش ارجحیت دارد.
مزایا
اسپاترینگ پرتو یونی با ویژگی تولید با کیفیت‌ترین لایه‌ها از حیث عملکرد و دقت شناخته می‌شود. این روش لایه‌نشانی به خصوص در مواردی که کنترل دقیق ضخامت، استوکیومتری و یکنواختی اهمیت دارد، مورد توجه است. اسپاترینگ پرتو یونی می‌تواند لایه‌های صاف و متراکم با ضخامت‌هایی از چند آنگستروم تا چندین میکرومتر را تولید کند که برای کاربردهای اپتیک دقیق (Precision Optics) بی‌نظیرند.
یکی از مزایای مهم/عمده اسپاترینگ پرتو یونی نسبت به دیگر روش‌ها در خانواده اسپاترینگ، کنترل نسبتا مستقل پارامترهای مختلف از قبیل انرژی یون‌ها، زاویه تابش و نرخ کندو‌پاش هدف است. یکی از نقاط قوت قابل توجه لایه نشانی پرتو یونی، امکان پوشش دسته‌های مختلف مواد از فلزات تا نارساناها است.
نرخ پایین لایه‌نشانی و هزینه بالا از نقاط ضعف لایه‌نشانی اسپاترینگ پرتو یونی در مقایسه با دیگر روش‌های لایه‌نشانی بخار فیزیکی به شمار می‌رود.
کاربرد‌ها
لایه‌نشانی پرتو یونی، به دلیل ویژگی‌هایی چون ایجاد لایه کاملا یکنواخت و بسیار متراکم، چسبندگی قوی لایه به زیرلایه، دما و فشار پایین فرآیند و تشکیل لایه‌هایی با تنش کم، برای اپتیک دقیق یا تولید ادوات نیمه‌هادی، ایده‌آل است. کاربردهای لایه‌نشانی پرتو یونی دامنه وسیعی از حوزه‌ها، مانند ایجاد لایه‌های بسیار مقاوم به خوردگی، لایه‌های اپتیکی همچون فیلترهای ضدبازتاب و به شدت بازتابنده، پرتوشکاف‌ها (Beam Splitters)، آینه‌های فرابنفش شدید (Extreme UV (EUV) Mirrors)، وجوه لیزر، پوشش چندلایه‌ای اکسید فلزی یا اکسید رسانای شفاف (TCO) در صنعت دیودهای نورتاب آلی (OLED) و صفحه نمایش انعطاف پذیر را شامل می‌شود.
اسپاتر کوترهای پوشش‌های نانوساختار
شرکت پوشش‌های نانوساختار تولیدکننده سیستم‌های لایه‌نشانی در خلاء به روش‌های مختلف، مانند تبخیر حرارتی، اسپاترینگ و لایه‌نشانی لیزر پالسی است. دستگاه‌های لایه‌نشانی اسپاترینگ و لایه‌نشان کربن خلاء بالا و پایین (DSCR و DSCT) در آماده‌سازی نمونه برای میکروسکوپ الکترونی بسیار پرطرفدار هستند (SEM کوترها).
دستگاه‌های لایه‌نشانی اسپاترینگ سه کاتده زاویه‌دار/مستقیم به همراه تبخیر حرارتی (DST3-TA/S) پاسخی جامع به نیازهای محققان هستند. به علاوه، دستگاه اسپاترینگ جدید شرکت به همراه تبخیر حرارتی طراحی شده برای استفاده در گلاوباکس (DST2-TG)، دارای مزیت امکان تغییر سریع بین دو روش لایه‌نشانی اسپاترینگ و تبخیر حرارتی بدون نیاز به شکستن خلاء است.
منابع
- https://polygonphysics.com/applications/ion-beam-sputter-deposition
- Bundesmann, Carsten, and Horst Neumann. “Tutorial: The systematics of ion beam sputtering for deposition of thin films with tailored properties.” Journal of Applied Physics 124.23 (2018): 231102.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Ion_beam_deposition
- Ohashi, Kenya, Kiyoshi Miyake, and Tetsuroh Minemura. “Formation of high corrosion resistant iron films by ion beam deposition method.” Advanced Materials’ 93. Elsevier, 1994. 207-210.
- Miyake, K. (2002). Ion-Beam Deposition. In: Waseda, Y., Isshiki, M. (eds) Purification Process and Characterization of Ultra High Purity Metals. Springer Series in Materials Processing. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-56255-6_7
هنگام برخورد ذرات پرانرژی به یک زیرلایۀ جامد در حال پوشش دهی چه اتفاقی می افتد؟
این روش، لایه نشانی به کمک پرتو یونی (IBAD) نام دارد، برای مطالعه بیشتر دراین زمینه به صفحه وبلاگ ما مراجعه فرمایید.