faridbensaeed
28th December 2008, 04:03 PM
روشهاي توليد الماس با تكنيك بخار شيميايي
لايه نشاني بخار شيميايي عبارت است از يك سري واكنشهاي فاز گازي كه بر روي يك زير لاية جامد صورت مي گيرد و موجب لايه نشاني بر روي سطح آن مي شود. تمام روشهاي لايه نشاني بخار شيميايي براي توليد فيلمهاي الماس و لایه های نازک شبه الماسی نياز به وسيله اي دارند تا مولكولهاي گاز كربن دار را براي شروع واكنش فعال كنند. اين فعالسازي به شكلهاي مختلفي صورت مي گيرد كه شامل روشهاي حرارتي مثل فيلمان داغ[1] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn1)؛ تخليه هاي الكتريكي مثل DC، RF و MW و مشعلهاي سوختي مثل مشعل اكسي اتيلن است
معمولا واژه "پردازش پلاسمايي[2] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn2)" ، به رسوب گذاري بخار شيميايي بهبود يافته با پلاسما PECVD نسبت داده مي شود. شکل 1-2 تصویر شماتیک راکتورهای پردازش پلاسمایی را نشان می دهد.
روش فيلمان داغ
در روش فيلمان داغ به طور پيوسته از پمپ خلاء كه معمولاً پمپ روتاري است، استفاده مي شود در حاليكه گازهاي واكنش به شكل كنترل شده و با شار چند صد SCCM [3] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn3) وارد محفظه مي شوند. فشار داخل محفظه حدود Torr 20 تا 30 است، دماي زير لايه[4] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn4) توسط يك گرم كن تا حدود بالا برده مي شود. جنس زير لايه معمولاً سيليكون يا موليبدن است كه چند ميليمتر زير فيلمان قرار مي‌گيرد. دماي فيلمان به حدود مي رسد. جنس فيلمان به گونه اي انتخاب مي شود كه اين شرايط را تحمل كند و با گازهاي داخل محفظه واكنش ندهد و معمولاً از تنگستن يا تانتالوم استفاده مي شود كه البته باز هم با گازهاي كربن دار واكنش مي دهند و كربوريزه مي شوند. اين عامل موجب تغيير مقاومت آنها مي گردد و فيلمان را ترد و شكننده مي سازد و در نتيجه طول عمر و مدت زمان لايه نشاني را كاهش مي دهد. با اين حال اين روش نسبتاً ارزان و از لحاظ عملي، ساده است و الماسی با كيفيت قابل قبول را با سرعت مي توان با اين روش رشد داد.اما اين روش داراي مشكلاتي نيز هست. فيلمان داغ نسبت به اكسيداسيون و گازهاي خورنده حساس است و اين موضوع استفاده از گازهاي گوناگون در لايه نشاني را محدود مي كند. علاوه بر اين نمي توان از آلوده شدن الماس و بوجود آمدن ناخالصي ناشي از مواد فيلمان در آن جلوگيري كرد. براي مصارف صنعتي وجود ناخالصي تا چند ده ppm مشكلي ايجاد نمي كند اما براي مصارف الكترونيكي اين ميزان ناخالصي قابل قبول نيست. همچنين به علت طبيعت گرمايي اين روش ميزان يونهاي بوجود آمده در فاز گازي بسيار ناچيز بوده و نمي توان از فوايد اعمال ولتاژ به زير لايه براي افزايش سرعت رشد يا جهت مند نمودن روند رشد در يك جهت خاص استفاده كرد.
لايه نشاني با جتها و مشعلهاي پلاسمايي[5] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn5)
اين روش نيز در اواخر دهة 1980 بوجود مي آمد. در اين روش (شکل 3-2) گاز با سرعت شار نسبتاً بالا (ليتر بر دقيقه نسبت به سانتيمتر مکعب بر دقيقه در روشهاي قبل) از محيطي با ميدان الکتريکي قوي عبور کرده و تخليه صورت مي گيرد و سپس ذرات يونيزه و اتمها و راديکالها با سرعت وارد محفظة لايه نشاني شده و با سرعت زياد به زير لايه مي رسند. لايه نشاني با استفاده از جتهاي پلاسمايي بسته به نوع فشار که از Torr 100 تا atm1 است و همچنين روشي که بوسيلة آن تخليه الکتريکي صورت مي گيرد متفاوت است. بيشترين جتهاي پلاسمايي که براي لايه نشاني به کار مي روند از نوع آرک جتهاي جريان مستقيم[6] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn6) هستند که در آن از جريان مستقيم براي توليد جريان بالا و ايستا از شار گاز يونيزه شده استفاده مي شود.
خصوصيت اصلي همة روشهاي جتهاي پلاسمايي رسيدن به سرعت رشد بالاست که به بيش از مي رسد. اخيراً به کمک اين روش توانسته اند به بالاترين نرخ رشد يعني دست يابند که تقريباً بيش از سه برابر نرخ رشد توسط روشهاي فيلمان داغ و امواج مايکروويو است. اما مشکل اصلي اين روش، توانايي لايه نشاني تنها بر روي سطح کوچکي از زير لايه است (معمولاً 1 سانتي متر مربع)، همچنين خنک کردن زير لايه نيز امر بسيار مهمي است، چون يکنواخت نگه داشتن دماي زير لايه در تمام سطح آن در يک چنين سيستمهايي با سرعت رشد بالا بسيار مشکل است. حتي در بهترين حالت از خنک سازي، شوکي که در هنگام روشن شدن مشعل و يا خاموش شدن آن به زير لايه وارد مي شود منجر به محدود شدن تنوع زير لايه ها می گردد. البته انقباضي که هنگام خاموش کردن مشعل در زير لايه بوجود مي آيد موجب کنده شدن الماس رشد داده شده از سطح زير لايه و توليد سطوح خالص الماس مي گردد اما براي کاربردهايي که نياز به چسبندگي دارند مشکل ساز است. سيستم ديگري که تفاوت کمي با جتهاي پلاسما دارند عبارتند از مشعلهاي اکسي استيلن، چون اين روش بسيار ارزان است و در فشار اتمسفريک و در هوا عمل مي کند و نيازي به سيستمهاي خلاء ندارد کاربرد فراواني در اواسط دهة 1980 پيدا کرد.
در اين سيستم ها عملکرد مشعل به گونه اي است که سرعت خروج استيلن کمي بيشتر از اکسيژن بوده که موجب بوجود آمدن ناحيه اي داخل شعله مي شود که مملو از عناصر راديکال کربن دار است. اگر زير لايه در اين ناحيه از مشعل قرار داده شود فيلم هاي الماس با سرعتي حدود رشد مي کنند. اما در اين سيستمها هم مشکلات جتهاي پلاسما همچنان باقي است. يکنواخت نبودن شعاعي سطح لايه نشاني سطح قابل رشد را محدود مي کند و همچنين خنک کردن زير لايه مشکل ساز است. به همين دلايل مشعلهاي اکسي استيلن رفته رفته جاي خود را به شعله پخش کن هاي تخت دادند که براي لايه نشاني در سطوح وسيعتر مناسبتر هستند
روش لايه نشاني با پلاسماي مايكروويو[7] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn7)
در محفظه هاي لايه نشاني با استفاده از پلاسماي مايكروويو از شرايطي مشابه با محفظه هاي فيلمان داغ استفاده مي شود. علي رغم گران بودن، اين تكنيك امروزه به عنوان يكي از روشهاي عمده براي رشد الماس به كار مي رود. در اين روش امواج مايكروويو جهت توليد پلاسما از طريق يك دي الكتريك (معمولاً كوارتز) به محفظه انتقال داده مي شوند. انرژي امواج موجب گرم شدن و شكسته شدن پيوندهاي گاز و در نتيجه توليد عناصر فعال[8] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn8) در داخل محيط مي شود و نهايتاً موجب رشد الماس بر روي زير لايه كه در معرض پلاسما قرار دارد مي گردد علاوه بر سرعت رشد بالا، محفظه هاي پلاسماي مايکروويو داراي فوايد ديگري نيز هستند. به عنوان مثال در اين روش مي توان از ترکيبهاي گوناگوني از گازهاي متفاوت بويژه ترکيبات اکسيژن دار يا گازهاي کلردار و فلوئور دار استفاده کرد. به علت اينکه در اين روش از هيچ فيلمان يا الکترودي داخل محفظه استفاده نمي شود اين روش بسيار تميزتر از روش فيلمان داغ است و به همين دليل امروزه براي مصارف الکترونيکي از اين روش استفاده مي شود. همچنين به علت توليد مقادير زيادي يون داخل محفظه، مي توان شرايط لايه نشاني را با استفاده از اعمال ولتاژ به زير لايه براحتي تغيير داد و کنترل کرد[7] .
[1] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref1) Hot filament
[2] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref2) Plasma Processing
[3] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref3) - Standard Centimeter Cubic Minute
[4] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref4) Substrate
[5] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref5) - Plasma arc jet – plasma torch
[6] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref6) - DC arcjet
[7] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref7) - Microwave Plasma CVD (MWCVD)
[8] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref8) - Active Species
لايه نشاني بخار شيميايي عبارت است از يك سري واكنشهاي فاز گازي كه بر روي يك زير لاية جامد صورت مي گيرد و موجب لايه نشاني بر روي سطح آن مي شود. تمام روشهاي لايه نشاني بخار شيميايي براي توليد فيلمهاي الماس و لایه های نازک شبه الماسی نياز به وسيله اي دارند تا مولكولهاي گاز كربن دار را براي شروع واكنش فعال كنند. اين فعالسازي به شكلهاي مختلفي صورت مي گيرد كه شامل روشهاي حرارتي مثل فيلمان داغ[1] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn1)؛ تخليه هاي الكتريكي مثل DC، RF و MW و مشعلهاي سوختي مثل مشعل اكسي اتيلن است
معمولا واژه "پردازش پلاسمايي[2] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn2)" ، به رسوب گذاري بخار شيميايي بهبود يافته با پلاسما PECVD نسبت داده مي شود. شکل 1-2 تصویر شماتیک راکتورهای پردازش پلاسمایی را نشان می دهد.
روش فيلمان داغ
در روش فيلمان داغ به طور پيوسته از پمپ خلاء كه معمولاً پمپ روتاري است، استفاده مي شود در حاليكه گازهاي واكنش به شكل كنترل شده و با شار چند صد SCCM [3] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn3) وارد محفظه مي شوند. فشار داخل محفظه حدود Torr 20 تا 30 است، دماي زير لايه[4] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn4) توسط يك گرم كن تا حدود بالا برده مي شود. جنس زير لايه معمولاً سيليكون يا موليبدن است كه چند ميليمتر زير فيلمان قرار مي‌گيرد. دماي فيلمان به حدود مي رسد. جنس فيلمان به گونه اي انتخاب مي شود كه اين شرايط را تحمل كند و با گازهاي داخل محفظه واكنش ندهد و معمولاً از تنگستن يا تانتالوم استفاده مي شود كه البته باز هم با گازهاي كربن دار واكنش مي دهند و كربوريزه مي شوند. اين عامل موجب تغيير مقاومت آنها مي گردد و فيلمان را ترد و شكننده مي سازد و در نتيجه طول عمر و مدت زمان لايه نشاني را كاهش مي دهد. با اين حال اين روش نسبتاً ارزان و از لحاظ عملي، ساده است و الماسی با كيفيت قابل قبول را با سرعت مي توان با اين روش رشد داد.اما اين روش داراي مشكلاتي نيز هست. فيلمان داغ نسبت به اكسيداسيون و گازهاي خورنده حساس است و اين موضوع استفاده از گازهاي گوناگون در لايه نشاني را محدود مي كند. علاوه بر اين نمي توان از آلوده شدن الماس و بوجود آمدن ناخالصي ناشي از مواد فيلمان در آن جلوگيري كرد. براي مصارف صنعتي وجود ناخالصي تا چند ده ppm مشكلي ايجاد نمي كند اما براي مصارف الكترونيكي اين ميزان ناخالصي قابل قبول نيست. همچنين به علت طبيعت گرمايي اين روش ميزان يونهاي بوجود آمده در فاز گازي بسيار ناچيز بوده و نمي توان از فوايد اعمال ولتاژ به زير لايه براي افزايش سرعت رشد يا جهت مند نمودن روند رشد در يك جهت خاص استفاده كرد.
لايه نشاني با جتها و مشعلهاي پلاسمايي[5] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn5)
اين روش نيز در اواخر دهة 1980 بوجود مي آمد. در اين روش (شکل 3-2) گاز با سرعت شار نسبتاً بالا (ليتر بر دقيقه نسبت به سانتيمتر مکعب بر دقيقه در روشهاي قبل) از محيطي با ميدان الکتريکي قوي عبور کرده و تخليه صورت مي گيرد و سپس ذرات يونيزه و اتمها و راديکالها با سرعت وارد محفظة لايه نشاني شده و با سرعت زياد به زير لايه مي رسند. لايه نشاني با استفاده از جتهاي پلاسمايي بسته به نوع فشار که از Torr 100 تا atm1 است و همچنين روشي که بوسيلة آن تخليه الکتريکي صورت مي گيرد متفاوت است. بيشترين جتهاي پلاسمايي که براي لايه نشاني به کار مي روند از نوع آرک جتهاي جريان مستقيم[6] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn6) هستند که در آن از جريان مستقيم براي توليد جريان بالا و ايستا از شار گاز يونيزه شده استفاده مي شود.
خصوصيت اصلي همة روشهاي جتهاي پلاسمايي رسيدن به سرعت رشد بالاست که به بيش از مي رسد. اخيراً به کمک اين روش توانسته اند به بالاترين نرخ رشد يعني دست يابند که تقريباً بيش از سه برابر نرخ رشد توسط روشهاي فيلمان داغ و امواج مايکروويو است. اما مشکل اصلي اين روش، توانايي لايه نشاني تنها بر روي سطح کوچکي از زير لايه است (معمولاً 1 سانتي متر مربع)، همچنين خنک کردن زير لايه نيز امر بسيار مهمي است، چون يکنواخت نگه داشتن دماي زير لايه در تمام سطح آن در يک چنين سيستمهايي با سرعت رشد بالا بسيار مشکل است. حتي در بهترين حالت از خنک سازي، شوکي که در هنگام روشن شدن مشعل و يا خاموش شدن آن به زير لايه وارد مي شود منجر به محدود شدن تنوع زير لايه ها می گردد. البته انقباضي که هنگام خاموش کردن مشعل در زير لايه بوجود مي آيد موجب کنده شدن الماس رشد داده شده از سطح زير لايه و توليد سطوح خالص الماس مي گردد اما براي کاربردهايي که نياز به چسبندگي دارند مشکل ساز است. سيستم ديگري که تفاوت کمي با جتهاي پلاسما دارند عبارتند از مشعلهاي اکسي استيلن، چون اين روش بسيار ارزان است و در فشار اتمسفريک و در هوا عمل مي کند و نيازي به سيستمهاي خلاء ندارد کاربرد فراواني در اواسط دهة 1980 پيدا کرد.
در اين سيستم ها عملکرد مشعل به گونه اي است که سرعت خروج استيلن کمي بيشتر از اکسيژن بوده که موجب بوجود آمدن ناحيه اي داخل شعله مي شود که مملو از عناصر راديکال کربن دار است. اگر زير لايه در اين ناحيه از مشعل قرار داده شود فيلم هاي الماس با سرعتي حدود رشد مي کنند. اما در اين سيستمها هم مشکلات جتهاي پلاسما همچنان باقي است. يکنواخت نبودن شعاعي سطح لايه نشاني سطح قابل رشد را محدود مي کند و همچنين خنک کردن زير لايه مشکل ساز است. به همين دلايل مشعلهاي اکسي استيلن رفته رفته جاي خود را به شعله پخش کن هاي تخت دادند که براي لايه نشاني در سطوح وسيعتر مناسبتر هستند
روش لايه نشاني با پلاسماي مايكروويو[7] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn7)
در محفظه هاي لايه نشاني با استفاده از پلاسماي مايكروويو از شرايطي مشابه با محفظه هاي فيلمان داغ استفاده مي شود. علي رغم گران بودن، اين تكنيك امروزه به عنوان يكي از روشهاي عمده براي رشد الماس به كار مي رود. در اين روش امواج مايكروويو جهت توليد پلاسما از طريق يك دي الكتريك (معمولاً كوارتز) به محفظه انتقال داده مي شوند. انرژي امواج موجب گرم شدن و شكسته شدن پيوندهاي گاز و در نتيجه توليد عناصر فعال[8] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftn8) در داخل محيط مي شود و نهايتاً موجب رشد الماس بر روي زير لايه كه در معرض پلاسما قرار دارد مي گردد علاوه بر سرعت رشد بالا، محفظه هاي پلاسماي مايکروويو داراي فوايد ديگري نيز هستند. به عنوان مثال در اين روش مي توان از ترکيبهاي گوناگوني از گازهاي متفاوت بويژه ترکيبات اکسيژن دار يا گازهاي کلردار و فلوئور دار استفاده کرد. به علت اينکه در اين روش از هيچ فيلمان يا الکترودي داخل محفظه استفاده نمي شود اين روش بسيار تميزتر از روش فيلمان داغ است و به همين دليل امروزه براي مصارف الکترونيکي از اين روش استفاده مي شود. همچنين به علت توليد مقادير زيادي يون داخل محفظه، مي توان شرايط لايه نشاني را با استفاده از اعمال ولتاژ به زير لايه براحتي تغيير داد و کنترل کرد[7] .
[1] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref1) Hot filament
[2] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref2) Plasma Processing
[3] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref3) - Standard Centimeter Cubic Minute
[4] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref4) Substrate
[5] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref5) - Plasma arc jet – plasma torch
[6] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref6) - DC arcjet
[7] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref7) - Microwave Plasma CVD (MWCVD)
[8] (http://njavan.ir/forum/newthread.php?do=newthread&f=316#_ftnref8) - Active Species