اصول رسوب دهی فیزیکی بخار در فیلم‎های نازک + هندبوک

اصولاً لایه نازک به لایه ‎ای اطلاق می شود که ضخامت آن در محدوده کسری از نانومتر تا یک میکرون باشد. تاریخچه استفاده از لایه های نازک به حدود ۳۴۰۰ سال پیش بر می‎گردد اما استفاده از این دانش در ۳۰ سال اخیر به ‎شدت گسترش یافته است. نازک بودن و نسبت بالای سطح به‎ حجم در فیلم‎ های نازک منجر شده است تا از آن ها برای بهبود خواص سطح و جایگزینی مواد گران قیمت و همچنین کاربردهایی که نیاز به هندسه خاص است، استفاده گردد. فناوری فیلم نازک را می ‎توان به ‎عنوان اصلی ‎ترین کلید برای ساخت دستگاه هایی نظیر رایانه در نظر گرفت. تلاش برای بهبود کیفیت فیلم ‎های اعمال شده در صنعت رایانه از یک طرف و علاقه به درک بهتر فیزیک و شیمی این لایه ها از طرف دیگر منجر به پیشرفت سریع این فیلم‎ ها شده است. امروزه این روش پوشش‎ دهی برای بهبود خواص سطح در زمینه های مختلفی از قبیل مخابرات، پانل‎های خورشیدی، الکترونیک نوری، انواع پوشش‎ های متالورژی و محافظتی، تولید و ذخیره انرژی مورد استفاده قرار می‎گیرد. البته خواص لایه اعمال شده به شدت به زیرلایه و مراحل جوانه ‎زنی و رشد وابسته است. برای کیفیت بهتر لایه نازک نخستین مرحله تمیز کردن فصل مشترک از هرگونه آلودگی است. حضور آلودگی ضمن از بین ‎بردن چسبندگی، می تواند منجر به واکنش ‎های ناخواسته در فصل مشترک شده و خواص مدنظر را تضعیف سازد. ضریب انبساط حرارتی لایه نازک و زیرلایه یک پارامتر مهم دیگر در تعیین کیفیت لایه‌ های نازک به ‌شمار می‌رود؛ به‌ طوری‌که اگر تفاوت ضریب انبساط حرارتی بین لایه نازک و زیرلایه زیاد باشد، لایه نازک سنتز شده یا چروکیده شده یا پاره می‌شود. در نهایت، زیرلایه باید از پایداری مکانیکی و حرارتی مناسبی برخوردار باشد تا در برابر شوک ‌های مکانیکی و حرارتی مقاومت کرده و از آسیب دیدن لایه نازک جلوگیری کند. سرعت لایه‌نشانی، دمای زیرلایه، نوع خلا، نظم اتمی لایه نازک و زیرلایه و ساختار زیرلایه و تطابق آن با ساختار لایه نازک، عوامل دیگری هستند که بر کیفیت لایه نازک ایجاد شده تاثیرگذارند. با توجه به اینکه در ایجاد‎ لایه های نازک گاهی با تک لایه ها و تک بلور‎ها روبرو هستیم لذا دقت و توجه به این عوامل در کنار اتخاذ روش مناسب رسوب‎دهی امری ضروری است.

از مهمترین روش های ساخت لایه های نازک مواد مختلف، فرایند رسوب دهی فاز بخار است. این فرایند شامل تبخیر و سپس رسوب یک ماده پوشش از فاز بخار آن روی زیرلایه است. وقتی تبخیر ماده با پرتو یونی یا الکترونی شدت بالا یا با حرارت الکتریکی صورت می گیرد، به فرایند حاصل، رسوب فیزیکی بخار یا PVD گفته می شود. از سوی دیگر، اگر به ترکیب فرار ماده پوشش در فاز بخار اجازه داده شود که روی زیر لایه تجزیه یافته و عناصر لازم روی سطح رسوب پیدا کند، فرایند را رسوب شیمیایی بخار یا CVD می گویند. تفاوت فرایندهای PVD و CVD را می‎ توان در دمای کاری و ضخامت پوشش اعمالی هم دانست. درجه حرارت انجام فرایند در PVD معمولاً ۵۰۰ -۳۵۰ درجه سانتیگراد و در CVD در حدود ۱۰۰۰-۸۰۰ درجه سانتی‎گراد است. ضخامت پوشش اعمالی هم در فرایند PVD نسبت به روش CVD کمتر است که استفاده از آن را برای کاربرد‎های حساس و هندسه های خاص ممکن می‎ سازد. عموماً در حوزه فناوری فیلم نازک هدف اصلی ایجاد و رشد یک لایه با ضخامت کم برای کنترل منحصر‎ به ‎فرد ترکیب، ریزساختار و رفع عیوب می ‎باشد که فرایند PVD دستیابی به این هدف را ممکن ساخته است.

کتاب “اصول رسوب فیزیکی بخار در فیلم‎های نازک” نوشته K.S.Sree Harsha، از انتشارات Elsevier یکی از بهترین منابع برای آشنایی با مراحل و روش ‎های ایجاد فیلم نازک با استفاده از فرایند رسوب فیزیکی بخار است. هدف از این کتاب ارائه یک مرجع مستقل و مختصر حاوی فرایند‎ها، روش ‎ها و تجهیزات لازم برای تشکیل فیلم نازک با استفاده از تکنولوژی رسوب ‎دهی فاز بخار می‎ باشد. در این کتاب رسوب فاز بخار برای تشکیل فیلم نازک در ۴ مرحله به‎ طور کامل تشریح شده است. در مرحله اول که تشکیل فاز بخار از فاز مورد نظر می ‎باشد، فرایند‎هایی همچون تبخیر، کندوپاش و رسوب یونی مورد بررسی قرار گرفته ‎اند. فرایندهای پلاسما با رزونانس الکترونی سیکلوترون، تبخیر واکنش و تبخیر واکنش فعال نیز در ارتباط با مرحله دوم تشکیل فیلم نازک که مرحله انتقال اتم به زیرلایه می‎ باشد، تشریح شده‎ اند. رسوب اتم ‎ها در زیرلایه و تغییر در نظم اتم ‎ها نیز به‎ عنوان مراحل سوم و چهارم در چهار فصل از این کتاب مورد بحث قرار گرفته ‎اند. مخاطب اصلی این کتاب دانشجو‎یان، اساتید و مهندسان رشته های مواد، برق و فیزیک هستند. اما توجه کامل به اصطلاحات، مفاهیم و تعریف‎ های مربوط به علم مواد، موجب شده است که این کتاب به عنوان مرجعی کامل برای سایر گروه ها نیز مورد توجه باشد. مطالب این کتاب در ۱۳ فصل و به‎ شرح زیر ارائه شده ‎اند:

مقدمه ‎ای در مورد فیلم های نازک و اهمیت مطالعه آن ‎ها
تبخیر (روش‎ های تشکیل فیلم، ترمودینامیک، سنتیک و تئوری های مرتبط با تشکیل فیلم از طریق تبخیر)
حالت پلاسما (معرفی فرایند، حالت، روش‎ ها و برخوردهای موجود در تشکیل فیلم پلاسما)
تخلیه پلاسما سرد به‎ همراه روش‎ های موجود
منابع تبخیر حرارتی (منابع الکتریکی، انفجاری، پرتو الکترونی، تبخیر قوسی و لیزر)
جریان گاز در سیستم ‎های ایجاد فیلم نازک
منابع خاص (تبخیر پرتو مولکولی، فرایندهای تبخیر اصلاح‎ شده، کندوپاش، پرتو یونی، رسوب خوشه ی اتم های یونیزه شده توسط پرتو الکترونی)
تعامل بین گاز و جامد (نحوه انجام، اهداف و عیوب موجود)
هسته ‎زنی و رشد فیلم ‎ها با تشریح مراحل و مکانیزم ‎های موجود
رونشست (ارتباط با زیرلایه، مورفولوژی، ساختار و انرژی فصل‎ مشترک، نظم ‎دهی در آلیاژ‎های نیمه‎ رسانا، عیوب لایه نازک و نفوذ در آن)
آماده‎ سازی زیرلایه ( معرفی آلودگی ها، روش‎ های پاکسازی و عملیات تکمیلی همچون رفع ترک در خلا بالا، بمباران یونی و آنیل کردن)
ساختار و خواص فیلم‎ ها
اچ و حکاکی خشک

استفاده از دیاگرام ‎ها، معادلات و مثال‎ های عددی متعدد برای درک راحت‎ تر موضوع و طرح مسائل در آخر هر فصل از جمله نکات مثبت این کتاب است که اطلاعات گسترده ای در اختیار مخاطبین قرار می‎دهد.

علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد می توانند این کتاب را از لینک زیر در عصر مواد دریافت نمایند:

Physical Vapor Deposition of Thin Films

فرمت: PDF

تعداد صفحه: ۱۱۵۹

زبان: انگلیسی

حجم: ۱۰٫۷ مگابایت

لینک دانلود: