لایه نشانی به روش اسپاترینگ و کاربردهای آن

کندوپاش(Sputtering)

کندوپاش اولین بار در سال ۱۸۵۲ مورد استفاده قرار گرفت. در آن هنگام، شخصی به نام گرو با استفاده از تخلیه الکتریکی توانست لایه فلز را روی کاتد سرد لایه نشانی کند. کندوپاش در ابتدا، عمدتاً برای لایه نشانی فلزات دیرگداز بکار می رفت چرا که لایه نشانی آن ها با روش حرارتی ممکن نبود و به مرور با انجام تغییراتی، برای لایه نشانی مواد دی الکتریک نیز مورد استفاده قرار گرفت. یکی از این تغییرات، استفاده از امواج دارای فرکانس رادیویی بود که اجازه می داد تا دی الکتریک ها بصورت مستقیم لایه نشانی شوند.
استفاده از امواج Rf از سال ۱۹۶۰ گسترش یافت و مایسل و دیوید Maiseel &David در سال ۱۹۶۶، برای ساخت لایه های دی الکتریک، از امواجRf  استفاده کردند. در ۱۹۶۸ شرکت  Hohenstein به طور هم زمان شیشه را با استفاده از امواج   Rf و فلزات نیکل، مس و آلومینیوم را با استفاده از جریان مستقیم DC لایه نشانی نمود. در ادامه برای بهبود لایه نشانی و بالا بردن آهنگ رشد لایه از میدان مغناطیسی استفاده شد که بواقع انقلابی مهم در گسترش این فن‌آوری بود و موجب شد که مقایسه بین کندوپاش را با روش های دیگری مانند روش تبخیری برای لایه نشانی فلزات، آلیاژها، دی الکتریک ها و دیگر مواد بین کارشناسان به بحث گذاشته شده و به عنوان روشی قابل اعتماد برای لایه نشانی مورد توجه قرارگیرد.
کندوپاش در حقیقت فرآیند انتقال اندازه حرکت ذرات فرودی(معمولاً یون های گازهای خنثی) به سطح برخوردی می باشد. پارامترهایی مانند انرژی، زاویه و جرم ذره فرودی و همچنین انرژی مقید بین اتم ها در راندمان آن مؤثرند. در این فرآیند ذرات فرودی که برای بمباران ماده هدف استفاده می شوند را معمولاً  یون های منتشر شده از یک گاز خنثی مانند He ، Ne ، Ar ،  XeوCF4 تشکیل می دهند به دلیل این که آنها براحتی و با ایجاد میدان الکتریکی قابل شتاب دادن هستند.
تاثیر انرژی فرودی به صورت شماتیک در شکل ۱، نشان داده شده است. مشاهده می شود که یون های با کمتر از ۵ الکترون ولت، یا جذب سطح شده و یا بازتاب می شوند. با افزایش انرژی یون های فرودی، تخریب سطح آغاز می شود به گونه ای که اتم ها به داخل شبکه ماده هدف رانده می شوند و زمانی که مقدار انرژی به بیشتر از آستانه (معمولاً۱۰ تا۳۰ الکترون ولت) افزایش یابد، اتم ها شروع به کنده شدن از سطح می کنند.
کندوپاش در محدوده انرژی یون های بین ۱۰۴-۱۰۲ الکترون ولت رخ می دهد. در حالی که در انرژی های بالاتر، کاشت یونی  Implant انجام می گیرد.  

شکل (۱): واکنش های انجام شده برای انرژی  های مختلف یون های فرودی  

کنده شدن اتم ها از روی سطح به انرژی آستانه (E0 ) بستگی دارد که معادل کم ترین انرژی مورد نیاز برای کنده شدن یک اتم از سطح می باشد. در کندوپاش این انرژی باید بیشتر از انرژی قیدی اتم های سطح باشد که با Eb نشان داده می شود. معمولاً مقدار  E0حدود ۳ الی ۴ برابر مقدار Eb می باشد. بنابراین، با فرض اینکه Eb معادل ۴ تا ۸ الکترون ولت باشد، انرژی آستانه غالباً در حدود ۴۰-۱۵ است.
با ایجاد یک تخلیه الکتریکی بین چشمه(منفی) و آند(که درحقیقت دیواره محفظه و زیرلایه متصل به زمین می باشند)، گاز خنثی موجود در محفظه(مانند آرگن) مطابق رابطه زیر یونیزه شده و یون های تولید شده، به سمت چشمه هدف Target که در پتانسیل منفی قرار گرفته شتاب می گیرند. برای تولید پلاسما در محدوده ۱-۱۰- ۳-۱۰ تور، اختلاف پتانسیل چند صد ولت بین آند و کاتد(در حدود ۳۰۰ ولت) استفاده می شود.
اگر انرژی منتقل شده توسط یون های مثبت فرودی به اتم های سطح ماده هدف بزرگ تر از انرژی مقید آنها به سطح باشد، اتم های کنده شده اولیه با اتم های دیگر برخورد می کنند و انرژی خود را از طریق برخوردهای آبشاری تقسیم می نمایند و پلاسما حفظ می شود. انرژی یون های مثبت آرگن که معمولاً بیشتر از ۱۰۰ می باشد، متناسب با اختلاف پتانسیل بین پلاسما و هدف است. در این حال، فرایند کندوپاش شروع می شود و اتم ها، خوشه ها یا مولکول ها از سطح چشمه هدف، کنده شده و پس از چند برخورد، کم و بیش از پلاسما عبور می کنند و با انرژی باقیمانده به زیرلایه می رسند تا لایه نشانی صورت گیرد. در نتیجه برهم کنش بین سطح و یون های فرودی، مطابق شکل های ۲ و ۳ چندین واکنش جدید رخ می دهد که متناسب با انرژی فرودی، جرم یون و طبیعت اتم های سطح متفاوت خواهد بود.  

شکل۲): فرآیندهای اولیه در برخورد یون ها با سطح ماده هدف

شکل(۳): نمای شماتیک از فرآیند لایه نشانی کندوپاش

یکی از آنها، گسیل الکترون های ثانویه از سطح هدف است. این الکترون های ثانویه قادرند با اتمهای گاز آرگن برخورد کرده و موجب تشکیل یون های آرگن شوند و بدین ترتیب، به پایداری تخلیه تابان حاصل از پلاسما و برخورد یونی کمک کنند.

شکل(۴): نمایی ازدستگاههای لایه نشانی کندوپاش 

اجزا اصلی این سامانه ها عبارتند از: ۱- پمپ های زبر و خلأ بالا ۲- اتصال ورودی و کنترل گاز خنثی ۳- اتصال ورودی و کنترل گاز واکنشی ۴- کاتد و ماده هدف ۵- نگهدارنده زیرلایه ۶- منبع تغذیه(در حالت RF یک سیستم تطبیقی به نام Matching network به آن اضافه می شود) .    
ماده هدف همان طور که در شکل ۵، دیده می شود به شکل یک دیسک صاف می باشد که معمولا در یک صفحه فلزی (که معمولا از جنس مس می باشد) به نام Back Plate که با آب خنک می شود قرار داده می شود.
توجه داشته باشیم که بیش از ۸۰% انرژی جنبشی فرودی یون های آرگن در حین کندوپاش به گرما تبدیل می شود و از این رو ماده هدف می بایست به شکلی ساخته شود که هدایت گرمایی آن بالا باشد.  

شکل(۵): نمایی از  چشمه های  کندوپاش      

کندوپاش RF

کندوپاش RF در کندوپاش فلزات با توجه به رسانا بودن آن ها می توان با اعمال ولتاژ مستقیم پلاسمای موجود در محفظه را جذب هدف کرده و کندوپاش انجام داد. ولی چنانچه ماده هدف نارسانا باشد در صورت استفاده از روش جریان مستقیم، به علت عدم امکان انتقال بار، بین یون ها و سطح، به تدریج پتانسیل منفی سطح کاتد، به دلیل تجمع یون های مثبت روی آن کاهش می یابد و نهایتاً عمل کندوپاش متوقف می شود.
برای رفع این مشکل از روش های کندوپاشRF و کندوپاش واکنشی بهره می برند. همانطور که اشاره شد برای کندوپاش مواد دی الکتریک، به جای ولتاژDC ، می بایست از ولتاژ متناوب بهره برد. برای انجام آن هر فرکانس بالای MHz 10 می تواند مورد استفاده قرار گیرد، ولی فرکانس متداول معادل MHz 56/13 می باشد.
در شکل ۶،  نمای شماتیک از کندوپاش RF نشان داده شده است. توجیه ساده این فرایند به اختلاف جرمی الکترون و یون های مثبت ایجاد شده و در نتیجه تحرک پذیری آنها بر می گردد. چرا که مطابق رابطه زیر، شتاب ذره باردار رابطه معکوس با جرم آن دارد و از این رو  شتاب حرکت الکترون  نسبت به حرکت یونها، بیشتر می باشد.

شکل۶) نمونه شماتیک از دستگاه کندوپاشRF

مطابق شکل۷، فرض  کنید که در نیم سیکل اول، پتانسیل هدف مثبت باشد. در حالیکه الکترونها با شتاب بالا، به سمت هدف (آند) رفته در آنجا تجمع می کنند، یون ها به دلیل سنگین بودن(نسبت به الکترون ها) قادر به دنبال نمودن نوسانات پتانسیل نبوده و در نتیجه، در نیم سیکل اول، تجمع یون ها نزدیک کاتد (نسبت به تجمع الکترون ها در نزدیک آند) کم می شود. در برگشت و در نیم سیکل دوم، به دلیل وجود یون ها، حرکت الکترون ها کند تر می شود (در این حال ترکیب بعضی از الکترون ها و یون ها ناحیه خنثی را تشکیل می دهد که ناحیه سیاه خوانده می شود). از طرفی دیگر، با توجه به اینکه جرم الکترون ها خیلی کمتر از جرم یون های متناظر آنهاست هدف تنها برای مدت زمان بسیار کمی مثبت است.
بدین صورت، پتانسیل سطح هدف تا هنگامی که مدت چرخه ولتاژ، کمتر از زمان لازم برای تخلیه بار منفی روی آن (توسط یون های مثبت) باشد، منفی می ماند. بدین ترتیب یک ولتاژ منفی مؤثر ساخته    می شود تا بتوانیم دی الکتریک ها را نیز با آن لایه نشانی کنیم. نکته مهم و حیاتی در تمایز کاتد و آند آن است که مساحت موثر الکترود هدف (کاتد) نسبت به الکترود زیرلایه که به بدنه و در نتیجه به زمین (آند) متصل است، به مراتب کوچک تر بوده و در نتیجه چگالی الکترون ها در سطح الکترود هدف به مراتب بیشتر از چگالی الکترون ها در روی الکترود زیرلایه می باشد که این خود موجب تشکیل بایاس منفی بر روی الکترود هدف می شود.

شکل۷): فرآیند انجام شده در جریان متناوب یک سامانه کندوپاشRF،ناحیه ۱:تجمع الکترون ها، ناحیه ۲:تجمع یون ها، ۳: تجمع یون ها، ۴: تجمع الکترون ها

متأسفانه آهنگ کندوپاش در این حالت به دلیل هدایت گرمایی ناچیز هدف های نارسانا محدود است و  بنابراین در بسیاری موارد ترجیح داده می شود که لایه های عایق به صورت واکنشی از چشمه فلزی تهیه شوند. از طرفی دیگر، استفاده از منبع تغذیه های بزرگ RF به خاطر قیمت بالای آنها مقرون به صرفه  نمی باشد. همچنین به علت ولتاژ بالای بایاس وابسته توان RF ، درجه حرارت زیادی در مواد عایق ایجاد    می گردد. بنا به همین دلایل، از روش کندوپاش RF برای کاربردهای تجاری، کمتر استفاده می شود.

کندوپاش واکنشی  Reactive Sputtering

کلمه واکنشی به استفاده از یک گاز واکنش پذیر به صورت ترکیبی با ماده چشمه بر می گردد که معمولا برای تشکیل لایه های غیر فلزی استفاده می شود. بنا به نوع چشمه مورد استفاده، معمولاً به دو صورت از گازهای مورد نظر استفاده می شود:
۱- چشمه های دی الکتریک لایه های تشکیل شده از چشمه های دی الکتریک معمولاً با مواد چشمه متفاوت می باشند و به عبارتی دیگر استوکیومتری آنها بعد از لایه نشانی تغییر می کنند. برای درک بیش تر به یک مثال می پردازیم. به عنوان مثال لایه بدست آمده از کندوپاش متناوب چشمه TiO2 ، به صورت کامل استوکیومتری چشمه را حفظ نمی کند و تشکیل لایه ای به صورت  را می دهد که در آن x و y مقادیر متفاوت با ۱ و ۲ را دارند. برای رفع این مشکل، با تزریق گاز واکنشی(در اینجا گاز اکسیژن) تحت شرایط کنترل شده سعی   می شود تا استوکیومتری ماده اصلاح گردد. 
 ۲- چشمه های فلزی گفته شدکه تشکیل لایه های دی الکتریک با اعمال جریان مستقیم، از گازهای واکنشی استفاده می شود. برای انجام این فرآیند، بخش فلزی یک ماده دی الکتریک، به عنوان ماده هدف روی کاتد قرار می گیرد و بخش دیگر را که شامل گازهایی مانند نیتروژن و یا اکسیژن است در هنگام انجام کندوپاش با جریان مستقیم، به محفظه تزریق می کنند. در این صورت لایه تشکیل شده، ترکیبی از ماده هدف فلزی و گاز واکنشی تزریق شده است.
به عنوان مثال، مطابق شکل ۸، برای تشکیل لایهTiN به روش کندوپاش جریان مستقیم، ازTi  به عنوان ماده هدف و از گاز نیتروژن به عنوان گاز واکنشی استفاده می شود. ماده تشکیل شده لایه دی الکتریکTiN خواهد بود.
یادآوری می شود که استوکیومتری صحیح برای لایه تشکیل شده با تزریق مقدار صحیحی از گاز مورد نظر بدست می آید که معمولاً به صورت تجربی و به روش های مختلف، قابل دستیابی است.

شکل(۸): لایه نشانی کندوپاش TiN با استفاده از گاز واکنشی  

لازم به ذکر است که در بعضی از کاربردها نیز از گاز واکنشی صرفاً جهت افزودن یک ناخالصی برای تغییر ماهیت لایه انباشت شده استفاده می شود. 

کندوپاش مگنترون   Magnetron Sputtering

می دانیم که با استفاده از میدان مغناطیسی می توان حرکت الکترون ها را کنترل و محدود نمود.  این میدان های مغناطیسی، ممکن است با آهن رباهای دائمی و یا الکتریکی بوجود آید که در شکل ها و اندازه های مختلف در پشت کاتد قرار می گیرند و به همین دلیل این نوع از سامانه های کندوپاش را مگنترونی می نامند.
بدین ترتیب، در کندوپاش مگنترون، مطابق شکل ۹، علاوه بر میدان الکتریکی، یک میدان مغناطیسی، موازی با سطح هدف به منظور به دام انداختن الکترون های ثانویه (گسیل شده از هدف در حین بمباران آن) در نزدیکی سطح هدف مورد استفاده قرارمی گیرد. بدین ترتیب یک الکترون قبل از این که توسط ترکیب، در دیواره های محفظه ناپدید شود، می تواند یونیزاسیون های متعددی را در آرگن  ایجاد کند.
طبق قانون لورنتس، نیروی F روی ذره ای با بار q و سرعت v از یک میدان مغناطیسی B با رابطه زیر داده می شود:          
F=qV×B
که موجب می شود الکترون ها یک مسیر مارپیچی با شعاعr  را بپیمایند. الکترون های سبک به شدت تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرند و در شعاعی حرکت می کنند که بسیار کوچک تر از ابعاد سیستم و پلاسما است. در مقابل یون های خیلی سنگین تر با شعاع بسیار بزرگ تری از ابعاد سیستم و پلاسما حرکت می کنند. در نتیجه اثر میدان مغناطیسی روی یون ها چندان مهم نیست. بنابراین، میدان مغناطیسی، الکترون های ثانویه بدست آمده را کنترل نموده و آنها را در جهت ساخت پلاسما بکار می برند. در نتیجه برخورد الکترون ها با مولکول های گاز بی اثر، پلاسمای موجود در اطراف سطح هدف، بیشتر شده و بنابراین آهنگ کندوپاش بیشتر می شود.
با توجه به اینکه اکثر اتم های کنده شده نسبتاً سنگین و بی بار هستند، تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار نمی گیرند و به سمت زیرلایه حرکت می کنند. علاوه بر این در این حالت بمباران زیرلایه بوسیله الکترون کاهش می یابد. این همچنین بدین معناست که پلاسما در فشار کمتری می تواند نگهداری شود.
اتم های کندوپاش شده غالباً خنثی هستند و تحت تأثیر تله مغناطیسی قرار نمی گیرند. بدین ترتیب، پلاسما می تواند در فشار کم (Pa 1-1/0) پایدار نگه داشته شود.

شکل(۹): طرح شماتیک از یک کاتد مگنترون  

از گذار یون های برانگیخته به تراز پایین تر انرژی و در نتیجه گسیل انرژی اضافی به صورت تابش T یک برافروختگی مشاهده می شود. با توجه به این که متناسب با نوع عناصر، نور مرئی در طول موج های مختلف تابش می شود، می توان رنگ های مختلفی را مشاهده نمود. همچنین به کمک کندوپاش با مگنترون، لایه نشانی هایی با کیفیت بالا(چگال و چسبنده) تولید می شود.
درکندوپاش مغناطیسی رابطه بین جریان و ولتاژ بصورت غیر معمول بیان می شود. که در آن I جریان دشارژ،V  ولتاژ و K و n ثابت های وابسته به مواد سیستم و گاز مورد استفاده، می باشند.
به عنوان نمونه، برای یک نمونه کندوپاش مغناطیسی مقدار n بین۵ الی ۱۰  تغییر می کند، در حالی که برای DC DIODE (غیرمغناطیسی) این مقدار کمتر از ۲ می باشد.  

کندوپاش مگنترون غیرتعادلی  Unbalanced  Magnetron

این روش که امروزه بسیار مورد توجه قرارگرفته است به شکلی از مگنترون ها اطلاق می شود که در آن بعضی از الکترون ها مجاز به فرار از ناحیه متراکم پلاسما باشند. مگنترون ها درجات متفاوتی از این حالت را دارند. الکترونهای خارج شده از تله مغناطیسی، به سمت زیرلایه حرکت می کنند و در نتیجه آن، بمباران یونی زیر لایه نیز به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش می یابد و بدین ترتیب موجب تشکیل یک پلاسمای جدید دور از ماده هدف و نزدیک زیرلایه می شوند. نمای شماتیک از یک سامانه کندوپاش مگنترون غیرتعادلی، در شکل ۱۰ نشان داده شده است.

شکل۱۰: نمای شماتیک از یک سامانه کندوپاش مگنترون غیرتعادلی ۱- نمونه هدف، ۲- خنک کننده، ۳ و ۴-مگنت، ۵- صفحه پشتی هدف، ۶- خطوط میدان مغناطیسی، ۷- محفظه خلأ  

مگنترون های غیرتعادلی گاهی در یک آرایش دوتایی ساخته می شوند که در آن یک میدان خروجی از قطب های شمال آهنربای اول(که قوی تر از قطب های جنوب هستند) شروع شده و به سمت قطب جنوب آهنربای مخالف آن به پیش می روند. این موجب گیراندازی بیشتر الکترون ها می شود. البته این گیراندازی با استفاده از یک بایاس منفی در بالا و پایین مگنترون افزایش می یابد که در نتیجه آن، یون ها از این پلاسمای جدید به سمت زیر لایه شتاب گرفته آنرا بمباران می کنند که این موجب افزایش کیفیت لایه  می شود.
با به کار بردن یک مگنترون غیر تعادلی پیشرفته، جریان یونی که به سمت زیر لایه در حرکت است را  می توان کنترل نمود و  بدین ترتیب می توان کیفیت لایه نشانی را به طور چشم گیری افزایش داد. به صورت خلاصه می توان عمده ترین مزایای استفاده از روش کندوپاش مغناطیسی را بصورت زیر برشمرد:
۱- افزایش آهنگ لایه نشانی
۲- کاهش کندوپاش از زیرلایه و بدنه
۳- کاهش گرم شدن بستر در هنگام لایه نشانی
۴- کاهش فشار گاز مورد نیاز متداول ترین آنها چشمه های مگنترون استوانه ای و صفحه دایره ای است.
مگنترون استوانه ای دارای این مزیت است که هدف سریعاً مصرف نمی شود. الکترون ها در پوششی از پلاسما محبوس شده و در شعاعی برابر با شعاع آند، کاتد استوانه ای را احاطه می کنند. تفاوت اصلی بین کندوپاش دیودی و مگنترون روش تولید و پایدار نگه داشتن پلاسما است که در کیفیت لایه نشانی نیز تأثیر می گذارد.