پوشش های لایه نازک – مفهوم، دلایل استفاده و کاربرد آن ها

مفهوم لایه ی نازک:

لایه ی نازک (Thin Film) معمولاً به لایه ای اطلاق می شود که ضخامت آن حدوداً کمتر از یک میکرون (معمولاً زیر نیم میکرون) باشد. لایه، پوششی است که به صورت اتم ها، مولکول ها یا یون های مجزا روی سطح زیرلایه می نشیند و باعث ایجاد خواص الکتریکی، فیزیکی و مکانیکی سطحیِ جدیدی می شود که خصوصیات سطحی زیر لایه را ارتقاء می ‌بخشد. لایه های نازک را می توان در دسته ی پوشش های نانو ساختار دسته بندی کرد. کاربرد عمده این لایه های نازک در اصلاح خواص سطح جامدات است. لایه های نازک از دو ویژگی مهم برخوردار هستند: ضخامت بسیار کم آن ها در حد نانو و سطوح فوق العاده بزرگ آن ها نسبت به ضخامت.

تاریخچه استفاده از لایه های نازک (به خصوص فلزی) به حدود ۳۴۰۰ سال پیش بر می گردد. طلاکاری و اکلیل زدن نمونه های بارزی از این هنر هستند. امروز طلاکاران ماهر قادرند لایه های نازک طلا را به ضخامت حدود ۵۰۰ آنگستروم تهیه نمایند. اگرچه مهم ترین استفاده لایه های نازک در صنعت میکروالکترونیک می باشد، اما کاربردهای وسیع آن ها در زمینه های دیگر تکنولوژی و صنعت نیز رشد بسیار چشمگیری داشته است. این زمینه ها عمدتاً شامل مخابرات، الکترونیک نوری، انواع پوشش های متالورژی و محافظتی، تولید و ذخیره انرژی می باشد. پوشش ها و لایه های نازک مواد فلزی، نیمه رساناها، ابررساناها، دی الکتریک ها، پلیمرها، سرامیک ها و غیره را بر روی یک زیرلایه مناسب به روش های مختلف فیزیکی یا شیمیایی در یک محیط کنترل شده تهیه می نمایند. از مهمترین روش های ساخت لایه های نازک مواد مختلف، فرایند رسوب 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. در خصوص فرایند PVD و CVD در قسمت بعدی این مطلب، توضیحات مفصلی داده خواهد شد.

دلایل استفاده از لایه های نازک:

لایه های نازک مواد مختلف به دلیل ساختار و خواص فوق العاده آن ها قادرند در تکنولوژی سیستم های پیچیده الکترونیکی، اپتیکی، مغناطیسی و غیره مورد استفاده قرار گیرند. به طور کلی دلایل به کارگیری لایه های نازک در این گونه سیستم ها (به ویژه سیستم های عملی در تکنولوژی میکروالکترونیک) علاوه بر مزیت هندسه دو بعدی و تمایل به افزایش نسبت سطح به حجم آن ها، بطور خلاصه شامل موارد زیر هستند:

اندازه: کوچک بودن اندازه ها و داشتن حداقل وزن و حجم، برای مثال: سطح مقطع مقاومت ها و لایه های نازک دی الکتریک در خازن ها

ارزش اقتصادی: ارزان بودن قیمت تمام شده قطعات که این مهم ارتباط تنگاتنگ با کوچک کردن اندازه ها دارد.

ضریب اطمینان: بالا بودن ضریب اطمینان و کارایی قطعات الکترونیک و اپتیک، برای مثال بالا بودن زمان شکست و تخریب اتصالات درونی بین قطعات و در داخل هر قطعه.

توانایی: قطعات تهیه شده باید از توانایی و قابلیت بالایی برخوردار باشد. برای مثال: کاربرد یک قطعه در فرکانس بالا لازم است حداقل زمان انتشار و پارازیت الکتریکی را دارا باشد.

تکرار پذیری: مراحل تهیه، ساخت و تست قطعات مختلف باید قابل کنترل باشد، به علاوه تکرارپذیری کلیه فرآیندها باید امکان پذیر باشد.

سازگاری: قطعات تهیه شده باید قابل سازگار با دیگر قطعات سیستم باشد. برای مثال می توان از سازگاری هیبرید لایه های نازک با سیلیکون نام برد.

کاربرد لایه های نازک:

امروزه لایه های نازک مواد مختلف به دلیل گستردگی کاربرد آن ها در زمینه های گوناگون تکنولوژی و صنایع مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته اند. یکی از مهم ترین کاربردهای لایه نازک ساخت انواع سنسورها (الکتریکی، نوری، مغناطیسی، مکانیکی و غیره) است. در این بخش، کاربردهای لایه های نازک در صنایع الکترونیک، اپتیک، متالورژی و تریبولوژی بررسی می شود:

صنایع الکترونیک:

امروزه با استفاده از تکنولوژی لایه های نازک، پیشرفته ترین ترانزیستورها در صنایع الکترونیک، به صورت انبوه تولید می شود. این ترانزیستورها عمدتاً شامل ساختار سه لایه ای فلز- اکسید- نیمه هادی هستند. اتصالات درونی مدارات در فرایندهای متالیزاسیون، نفوذ، اکسیداسیون، کاشت یون، اچ و حکاکی، و غیرفعال سازی لایه با استفاده از تکنولوژی لایه های نازک عملی است.

صنایع اپتیک:

برای اولین بار در اواخر قرن نوزدهم از خواص اپتیکی لایه های نازک به طور عملی استفاده گردید. در آن زمان، عمدتاً از خواص بازتاب لایه های نازک فلزی برای ساخت انواع قطعات و وسایل اپتیکی بهره برداری می شد. برای مثال می توان از تداخل سنج Fabry-Perot که در آن از آینه هایی با ضریب بازتاب بسیار بالا استفاده می شود، نام برد. به چند مورد از جنبه های کاربردی لایه های نازک اشاره می شود:

پوشش های ضد انعکاسی:

پوشش های ضد انعکاسی (Anti-reflective Coatings) در اکثریت قریب به اتفاق وسایل، قطعات و سیستم های اپتیکی شامل عدسی ها (مورد استفاده در تجهیزات پزشکی، دوربین های عکاسی و دو چشمی و غیره)، میکروسکوپ ها، تلسکوپ ها، انواع لیزرها و غیره به کار می روند. برای ساخت این گونه پوشش ها معمولاً ضریب بازتاب بالای بسیاری از مواد دی الکتریک، نیمه هادی و فلزات را با استفاده از یک پوشش ضد انعکاسی کاهش می دهند. در این روش از یک تک لایه پوششی که ضریب شکست آن تقریباً برابر جذر ضریب شکست زیر لایه است، می توان استفاده کرد. با به کار بردن این پوشش ها در عدسی های چشمی، بازتاب کاهش یافته و در همان حال از تخریب سطح عدسی جلوگیری می شود. معمولاً در سیستم اپتیکی، پوشش های ضد انعکاسی به صورت چند لایه ای مورد استفاده قرار می گیرد. پوشش های ضد انعکاسی در نواحی ماوراء بنفش(UV)، مادون قرمز (IR) و مرئی (Vis) طیف امواج الکترومغناطیسی کاربرد فراوانی دارند.

منعکس کننده ها:

اخیراً تحقیقات وسیعی در زمینه تهیه و ساخت لایه ها و پوشش هایی با ضریب بازتاب بسیار بالا برای استفاده در لیزرها و کاربردهای دیگر آغاز شده است. معمولاً برای ساخت سیستم های چند لایه ای با ضریب بازتاب بسیار بالا، از دو ماده مناسب با پریودهای بسیار زیاد استفاده می شود. انتخاب این دو ماده بر اساس مقدار ضرایب شکست و جذب آن ها است، بطوری که بیشترین بازتاب در فصل مشترک آنها حاصل گردد. برخی از این مواد با ویژگی های بالا عبارتند از: W ،C ،Mo ،Si ،Fe ،Co ،Ni ،Re ،Ir ،Ta ،B ،Pt و Au. اصولاً انتخاب این مواد به ثوابت اپتیکی در طول موج مورد نظر و همچنین چگونگی فصل مشترک آن دو ماده (تیزی، مسطح و همگن بودن ناحیه مشترک) بستگی دارد.

برخی از کاربردهای اپتیکی دیگر:

لایه های نازک در طیف وسیعی از کاربردهای اپتیکی استفاده می شوند که اهم آنها شامل: پوشش های جاذب سیاه، انواع فیلترهای نوری، پالارایزرها و شکافنده های باریکه ای (Beam splitters) مورد استفاده در وسایل و سیستم های اپتیکی، انواع پوشش ها برای صفحه های نمایش، سلول های خورشیدی، پوشش های مورد استفاده در تبدیل و ذخیره انرژی، پوشش های حفاظتی و هادی شفاف از قبیل ماده ITO، حافظه های نوری و فیلترهای موزائیک مورد استفاده در زمینه ارتباطات، سوییچ های نوری در کامپیوتر، انواع پوشش های چندلایه ای مورد استفاده در معماری ساختمان ها، شیشه اتومبیل ها و جعل اسناد و همچنین پوشش های به کار گرفته شده در بسیاری از محصولات مصرفی و تزئیناتی.

صنایع متالورژی و تریبولوژی:

تکنولوژی لایه های نازک در صنایع متالورژی و تریبولوژی همانند صنایع الکترونیک و اپتیک از رشد بسیار بالایی برخوردار بوده است. اصولاً پوشش های متالورژی و محافظتی به منظور بهبود کارایی و افزایش طول عمر انواع وسایل و ابزار برش، قالب ها و پره های توربین های گازی و همچنین حداقل سایش در بلبرینگ ها مورد استفاده قرار می گیرند.