مقدمهامروزه بدون تردید یکی از تکنیک‌هایی که در جهت افزایش خواص کیفی لایه‌ها استفاده می‌شود، بهره بردن از فناوری چشمه‌های یونی است که به شکل‌های مختلفی مانند
باریکه یونی یا محیط پلاسما استفاده می‌شوند. این چشمه‌ها، بر اساس مکانیزم کارکرد، به شکل‌های مختلف تولید می‌شوند. به عنوان مثال، مطابق شکل 1، این چشمه‌ها به لحاظ داشتن یا نداشتن توری (grid) به دو نوع Source Gridded و Source Gridless تقسیم‌بندی می‌شوند. همین طور بر اساس مکانیزم تولید الکترون، چشمه‌های یونی به دو شکل فیلامانی و بدون فیلامان (Fillamentless) که به اصطلاح Hallow cathode نیز خوانده می‌شود، تقسیم‌بندی می‌شوند. در شکل 2 نمونه‌ای از چشمه بدون فیلامان مشاهده می‌شود.
شکل 1- نمونه‌ای از چشمه‌های یونی ساخته شده در شرکت VEECO از نوع توری‌دار (تصویر سمت راست) و بدون توری (تصویر چپ) [3]
شکل 2- نمونه‌ای از چشمه بدون فیلامان [3]
در حالت کلی استفاده از چشمه‌های یونی در 4 نوع روش اصلی انجام می‌شود که در ادامه به بررسی آن‌ها پرداخته‌ایم.
1- سامانه کندوپاش یونی IBS(Ion Beam Sputtering)در مهم‌ترین روش، از چشمه یونی به عنوان منبع مستقیم انرژی استفاده می‌شود. در این روش مطابق شکل 3، نمونه هدف توسط باریکه یونی ایجاد شده در چشمه یونی بمباران می‌شود. در این حالت اگر یون‌ها انرژی کافی داشته باشند، می‌توانند باعث کنده شدن سطح زیرلایه شوند و بدین ترتیب اتم‌های کنده شده، لایه مورد نظر را روی سطح زیرلایه تشکیل می‌دهند. ذرات کنده شده در این حالت انرژی بسیار بیشتری نسبت به انرژی گرمایی در لایه‌نشانی تفنگ الکترونی دارند.
شکل 3- قسمت‌های مختلف سامانه کندوپاش یونی IBS که 1- چشمه یونی، 2- پرتو یونی، 3- نمونه هدف، 4- اتم‌ها و ذرات کنده شده از هدف، 5- زیرلایه، 6- محفظه خلأ هستند [5].
این انرژی حدود 10 الکترون ولت است که تقریباً 100 برابر انرژی ذرات در تکنیک تفنگ الکترونی خواهد بود. انرژی آنقدر بالا است که می‌تواند موجب تشکیل پیوند کوالانسی بین مولکول‌های لایه و مولکول‌های زیرلایه شود. لایه‌های تشکیل شده در این حالت، بسیار یکنواخت، بدون تخلخل و دارای چسبندگی فوق‌العاده هستند. به علت بالا بودن چگالی تراکم لایه، ضریب شکست لایه، به طور تقریبی نزدیک به ضریب شکست ماده حجمی مربوطه است. همچنین، از آن‌جا که در این روش کنده شدن اتم به اتم صورت می‌گیرد، سرعت فرآیند لایه‌نشانی کمتر و هزینه آن بالاتر است. این هزینه شامل هزینه تجهیزات و همچنین هزینه مواد مصرفی و نگهداری سیستم می‌شود. علاوه بر این، IBS، انعطاف‌پذیری کمتری نسبت به تفنگ الکترونی دارد و تغییر مقیاس سیستم برای زیرلایه‌های بزرگ‌تر مشکل است.
2- تکنیک IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)می‌دانیم که انرژی جنبشی اتم‌های جذب سطحی شده در سطح زیرلایه نقش بسیار مهمی در کیفیت لایه‌نشانی دارد. اگر این انرژی خیلی کم باشد، نتیجه یک لایه متخلخل است و متعاقب آن پایداری مکانیکی و شیمیایی لایه کاهش می‌یابد. در گذشته‌های نه چندان دور، از گرما برای رفع این مشکل بهره می‌بردند؛ بدین گونه که در حین لایه‌نشانی، زیرلایه به مقادیر مختلف گرم می‌شد. اما از این راه حل برای زیرلایه‌های حساس به درجه حرارت نمی‌توان استفاده کرد.امروزه در یک تکنیک جدید به نام IAD یا IBAD (Ion Beam Assisted Deposition) برای حل این مشکل، در بسیاری از سامانه‌ها، از یک باریکه یونی، در کنار چشمه اصلی استفاده می‌شود تا خواص کیفی لایه‌نشانی افزایش یابد. در این روش، مطابق شکل 4، سطح زیرلایه را با یونهایی با انرژی حدود eV60، بمباران یونی می‌کنند که در نتیجه انتقال انرژی جنبشی حاصل از آن، اتم‌ها قادر خواهند بود که به قسمت‌های مختلف لایه حرکت کنند و لایه بهتر و چگال‌تری را ایجاد کنند و از طرفی، چسبندگی بین لایه و زیرلایه نیز افزایش می‌یابد.
شکل 4- نمونه‌ای شماتیک از یک سامانه IAD، قسمت‌های مهم این سامانه عبارتند از: 1- زیرلایه، 2- پرتو یونی، 3- چشمه یونی، 4- چشمه الکترونی، 5- تبخیر الکترونی، 6- محفظه خلأ [3]
استفاده از باریکه یونی در بهبود برخی خواص مانند چسبندگی لایه و زیرلایه، چگالی لایه و سمت‌گیری کریستالی نقش عمده دارد. شکل 4، نمونه‌ای شماتیک از این سامانه را نشان می‌دهد. لایه‌نشانی IAD در درجه حرارت پایین‌تر، چگال‌تر است و این چگالش سبب می شود که لایه‌نشانی در معرض رطوبت یا خوردگی، پایداری بیشتری نشان دهد.از دیگر مزایای مهم این روش می‌توان به تمیزکاری زیرلایه و همچنین افزایش سرعت انباشت اشاره کرد. گازهای باقیمانده و دیگر آلاینده‌ها را به کمک بمباران یونی از سطح زیرلایه پاک می‌کنند. به عبارت دیگر با استفاده از این روش علاوه بر افزایش کیفی لایه‌نشانی، می‌توان با کنترل شدت باریکه یونی، نمونه را قبل از لایه‌نشانی تمیزکاری کرد.در این روش سرعت انباشت در مقایسه با روش
کندوپاش مگنترون با تجهیزات یکسان و چگالی جریان یکسان به مقدار قابل توجهی (حدود چهار برابر) بیشتر است. در فیلم شماره 1، استفاده از تکنیک IAD در دستگاه لایه‌نشانی لیزری به صورت انیمیشن قابل مشاهده است.
3- تکنیک ترکیبی Dual Beamدر بعضی سیستم‌ها از ترکیب حالت اول و دوم استفاده می‌شود. بدین ترتیب که یک باریکه یونی به عنوان منبع انرژی، نمونه هدف را بمباران می‌کند و از طرفی دیگر، باریکه یونی دوم برای تأمین انرژی مورد نیاز در سطح و ایجاد جنبش سطحی کافی، اتم‌های گسیلی به سطح زیرلایه را در مجاورت سطح زیرلایه بمباران می‌کند.در این فرآیند مطابق شکل 5، یک باریکه یونی از چشمه 1، به سمت نمونه هدف برخورد می‌کند و یک لایه نازک را بر روی زیرلایه انباشت می‌کند در حالی که یک باریکه یونی از چشمه دوم با انرژی بالا، این لایه را بمباران می‌کند و منجر به چسبندگی فوق‌العاده لایه روی زیرلایه می‌شود. در شکل 6، نمونه‌ای از یک سیستم لایه‌نشانی کندوپاش باریکه یونی واقعی ساخت کمپانی Veeco مشاهده می‌شود.
شکل 5- شماتیک دستگاهی با دو چشمه یونی، 1- چشمه یونی اصلی، 2- چشمه یونی کمکی، 3- پمپ خلأ بالا، 4- نمونه هدف، 5- ماسک، 6- زیرلایه [7]
شکل 6- نمایی از یک سیستم لایه‌نشانی کندوپاش باریکه یونی ترکیبی ساخت شرکت Veeco از [3]
4- سامانه تبخیری- یونیدر روشی دیگر، مطابق شکل 7، ماده هدف را ابتدا تبخیر می‌کنند و سپس، بخارات حاصل را یونیزه می‌کنند. در این حالت، اتم‌های یونیزه شده که در یک میدان الکتریکی قرار گرفته‌اند، به سمت سطح زیرلایه (که بایاس منفی شده است) شتاب داده می‌شوند و در نتیجه یون‌های ماده هدف جذب زیرلایه شده و انباشت لایه انجام می‌پذیرد. بدین ترتیب فرآیندهای زیر به ترتیب انجام می‌شوند:1- تبخیر (یا کندوپاش)2- یونیزاسیون3- شتاب یون‌ها4- انباشت
شکل 7- نمایی شماتیک از یک سامانه تبخیری- یونی، 1- چشمه تبخیری، 2- یونیزه‌کننده، 3- زیرلایه، 4- ولتاژ شتاب‌دهنده، 5- پمپ خلأ [8]
استفاده از باریکه یونی دارای این مزیت است که کنترل پارامترهای انباشت را راحت‌تر می‌توان انجام داد. از طرفی دیگر، سرعت رشد پایین و محدودیت در رفتار با نمونه‌های دارای سطح مقطع کوچک از معایب این روش‌ها به شمار می‌روند.