روش‌های سنتز، آنالیز و کاربردهای لایه‌های نازک

1- مقدمه

استفاده از لایه‌های نازک‌ در صنایع مختلف باعث بهبود خواص مکانیکی، خوردگی و تریبولوژیکی زیرلایه‌ها می‌شود. سنتز کنترل شده لایه‌های نازک‌ یک مرحله اساسی در آماده‌سازی آن‌ها برای کاربردهای مختلف به‌شمار می‌رود. جهت آشنایی بیشتر با لایه‌های نازک به مقاله "مقدمه‌ای بر لایه‌های نازک" در سایت آموزش نانو مراجعه کنید. روش‌های سنتز لایه نازک‌ها به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شوند که عبارتند از: روش‌های فیزیکی و روش‌های شیمیایی. هر کدام از این روش‌ها باعث ایجاد خواصی متفاوت در ماده می‌شوند. بنابراین، با در نظر گرفتن خواص و کاربردهای مورد انتظار، روش مناسب برای سنتز لایه نازک انتخاب می‌شود. برای آنالیز و مشخصه‌یابی لایه‌های نازک‌ از روش‌های مبتنی بر الکترون مانند روش طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS)، طیف‌سنجی الکترون اوژه (AES) و طیف‌سنجی جرمی یون ثانویه (SIMS) استفاده می‌شود. از کاربردهای مهم لایه‌های نازک می‌توان به ساخت ترانزیستورهای مبتنی بر لایه نازک، مغناطیس‌های غول‌پیکر (Giant Magnetoresistance; GMR) وسلول‌های خورشیدی اشاره کرد.

2- روش‌های سنتز لایه‌های نازکهمان‌طور که در بخش قبلی اشاره شد، روش‌های سنتز لایه‌های نازک بسته به فرآیند لایه‌نشانی، منبع انرژی و محیط لایه‌نشانی به دو دسته عمده فیزیکی و شیمیایی تقسیم‌بندی می‌شوند. در ادامه به معرفی این روش‌ها پرداخته خواهد شد.

1-2- روش‌های فیزیکی (Physical methods)روش‌های فیزیکی قدیمی‌ترین روش سنتز فیلم‌های نازک به‌شمار می‌روند که در سال 1857 میلادی توسط فارادی با تبخیر یک فیلامان فلزی معرفی شدند. در رسوب‌دهی فیزیکی از ابزارهای مکانیکی، الکتروشیمیایی یا ترمودینامیکی برای تولید لایه نازک استفاده می‌شود. از آن‌جایی‌که بیشتر مواد مهندسی با انرژی‌های نسبتاً زیادی در کنار هم قرار می‌گیرند و نیازی به واکنش‌های شیمیایی برای ذخیره‌سازی این انرژی‌ها وجود ندارد، سیستم‌های رسوب‌دهی فیزیکی به‌خوبی در محیط خلأ با فشار پایین عمل می‌کنند. روش‌های فیزیکی به دو دسته تبخیری (Evaporation) و کندوپاش (Sputtering) تقسیم‌بندی می‌شوند.

1-1-2- روش تبخیری

در این روش ماده‌ای که قرار است به‌صورت لایه نازک روی زیرلایه راسب شود، درون محفظه‌ای با فشار معین (معمولاً کمتر از یک اتمسفر) قرار می‌گیرد. سپس این ماده با اعمال حرارت تبخیر شده و بخار حاصل از آن روی زیر لایه قرار گرفته و به‌دلیل سردتر بودن زیرلایه، چگالش یافته و به‌صورت لایه نازک روی سطح تشکیل می‌شود. شکل 1 شمایی از دستگاه مورد استفاده در روش تبخیری در خلأ برای ترسیب لایه‌های نازک را نشان می‌دهد.

شکل 1- شمایی از دستگاه مورد استفاده در روش تبخیری در خلأ برای ترسیب لایه‌های نازک.

در این روش، جنس و هندسه فیلامان گرم‌کننده تأثیر به‌سزایی روی سرعت پوشش‌دهی و خواص لایه نازک سنتز شده دارد. یک نکته بسیار مهم در انتخاب فیلامان این‌ است که فشار بخار فیلامان نباید بیشتر از فشار بخار ماده مورد نظر برای راسب شدن باشد. در غیر این‌صورت، با تبخیر ماده فیلامان هم تبخیر می‌شود. شکل 2 شمایی از نحوه صحیح  قرارگیری منبع و زیرلایه در روش تبخیری برای دست‌یابی به لایه نازک یکنواخت را نشان می‌دهد.

شکل 2- شمایی از نحوه صحیح قرارگیری منبع و زیرلایه در روش تبخیری برای دست‌یابی به رسوب یکنواخت.

معمولاً فیلامان‌ها از جنس مواد دیرگداز مانند تنگستن، مولیبدن یا گرافیت انتخاب می‌شوند. در سنتز لایه‌های نازک دیرگداز مانند تنگستن و تانتالوم نمی‌توان از فیلامان‌های گفته شده استفاده کرد و برای تبخیر این مواد به‌منظور لایه‌نشانی، از روش قوس الکتریکی استفاده می‌شود. البته امروزه از روش تبخیر با پرتو الکترونی پر انرژی (Electron beam evaporation) برای تبخیر مواد دیرگداز استفاده می‌شود. در این روش، امکان تنظیم انرژی پرتو الکترونی با کنترل ولتاژ شتاب‌دهنده الکترون وجود دارد که باعث ایجاد یک پرتو متمرکز با انرژی بالا روی ماده هدف می‌شود. شکل 3 شمایی از روش تبخیر با پرتو الکترونی پرانرژی را نشان می‌دهد.

شکل 3 - شمایی از روش تبخیر با پرتو الکترونی پرانرژی.

روش فیزیکی تبخیری، توانایی سنتز لایه‌های نازک از جنس موادی مانند آلومینیوم، کروم، مس، طلا، نیکل، کادمیوم، پالادیوم، تیتانیوم، مولیبدن، تنگستن و تانتالوم را دارد.

2-1-2- روش کندوپاش

در روش کندوپاش، یون‌های عناصر سنگین و نجیب مانند آرگون تحت میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند و پس از برخورد با ماده هدف، باعث جدا شدن اتم‌های موجود در سطح آن شده و سپس این اتم‌ها درون محفظه خلأ تبخیر می‌شوند. در نهایت، با ایجاد شرایط مناسب، این اتم‌های تبخیر شده روی سطح زیرلایه چگالش یافته و به‌صورت لایه نازک راسب می‌شوند. عوامل مؤثر بر کیفیت، خواص و ضخامت لایه‌های نازک سنتز شده با این روش عبارتند از:

· فشار محفظه

· مقدار ولتاژ

· بزرگی جریان عبوری

· جنس و هندسه ماده هدف

· هندسه و شرایط سطحی زیرلایه

· فاصله بین ماده هدف و زیرلایه.

شکل 4 شمایی از دستگاه مورد استفاده برای سنتز لایه نازک با روش کندوپاش را نشان می‌دهد.

شکل 4- شمایی از دستگاه مورد استفاده برای سنتز لایه نازک با روش کندوپاش.

مقایسه روش‌های کندوپاش و تبخیر نشان می‌دهد که روش کندوپاش، روش بهتری برای سنتز لایه‌های نازک است. دو دلیل اصلی برای این برتری عبارتند از:

· توانایی سنتز لایه‌های نازک با درصد آلیاژی معین؛ در روش تبخیری به دلیل اختلاف فشار بخار جزئی عناصر، دست‌یابی به لایه نازک با درصد آلیاژی مشخص بسیار مشکل است.

· توانایی سنتز لایه‌هایی حاوی ترکیبات اکسیدی، نیتریدی و سولفیدی؛ برای تولید لایه‌های با ترکیبات اکسیدی، نیتریدی و سولفیدی می‌توان مقادیری اکسیژن، نیتروژن و گوگرد همراه با گاز آرگون وارد محفظه کرد.

2-2- روش‌های شیمیایی (Chemical Methods)1-2-2- رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار (Chemical Vapor Deposition; CVD)طبق تعریف، CVD شامل سیلانی از گاز یا گازهایی با ترکیب شیمیایی پیش‌ماده (precursor) در یک محفظه (Chamber) است. محفظه شامل یک یا چند سطح (زیرلایه) داغ است. با وقوع واکنش‌های شیمیایی در نزدیکی، یا بر روی این سطوح داغ، پوشش‌های موردنظر روی آن‌ها راسب می‌شوند. در نتیجه، پوشش به‌صورت یک فیلم نازک روی سطح داغ تشکیل می‌شود. پس از اتمام واکنش شیمیایی، مقداری محصول جانبی هم در کنار پوشش راسب شده روی سطح داغ، تشکیل می‌شوند. این محصولات جانبی تشکیل شده در محفظه، همراه با گازهای پیش‌ماده که در حین واکنش مصرف نشده‌‌اند، از محفظه خارج می‌شوند. روش رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار معمولاً در دماهایی در حدود 1000 درجه سانتی‌گراد انجام می‌گیرد. برخلاف روش رسوب‌دهی فیزیکی از فاز بخار که شامل فرآیندهایی از قبیل تبخیر، پراکنش و تصعید است، روش CVD تنها دربرگیرنده واکنش‌های شیمیایی (تغییرات شیمیایی) در پیش‌ماده، یا در میان پیش‌ماده‌ها است. از این روش برای سنتز فیلم‌های نازک از جنس گستره وسیعی از مواد مختلف مانند عناصر خالص، آلیاژها، نیتریدها، اکسیدها، نانوکامپوزیت‌ها، نیمه‌رساناها و ترکیبات بین فلزی استفاده می‌شود.

فیلم‌های نازک سنتز شده با این روش دانسیته و خلوص بالایی داشته و در کاربردهایی مانند قطعات الکترونیکی، لایه‌های نازک نیمه‌رسانا، لایه‌های نازک مورد استفاده در ابزارهای برشی و صنایع هوافضا استفاده می‌شوند. شکل 5 شمایی از دستگاه CVD مورد استفاده برای سنتز لایه‌های نازک را نشان می‌دهد.

شکل 5- شمایی از دستگاه CVD مورد استفاده برای سنتز لایه‌های نازک.

2-2-2- آبکاری الکتریکی (Electroplating)آبکاری الکتریکی یک روش الکتروشیمیایی برای سنتز لایه‌های نازک فلزی روی زیرلایه‌های رسانا است. از مزایای این روش می‌توان به توانایی رسوب‌دهی فلزات خالص، آلیاژهای مختلف، مواد کامپوزیتی و هم‌چنین توانایی لایه نشانی در دمای اتاق اشاره کرد. آبکاری الکتریکی، یک فرآیند پوشش‌دهی لایه نازک روی سطح فلزات مختلف به منظور بهبود و اصلاح خواص سطحی (از قبیل مقاومت به سایش، اکسیداسیون و خوردگی) است. قسمتی که قرار است پوشش روی آن رسوب داده شود، کاتد نام دارد. آند هم معمولاً از جنس فلزی است که قرار است در سمت دیگر آبکاری شود. هر دو جز در محلولی که الکترولیت نام دارد، غوطه‌ور می‌شوند. الکترولیت شامل یک یا چندین نمک فلزی محلول و هم‌چنین یون است که اجازه جریان یافتن الکتریسیته را می‌دهد. منبع توان (ترانس) جریان مستقیم به آند را تأمین کرده و باعث اکسیداسیون اتم‌های فلزی موجود شده و اجازه می‌دهد تا در محلول حل شوند. یون‌های فلزی حل شده در محلول الکترولیت در فصل مشترک بین محلول و کاتد احیا شده و روی کاتد رسوب می‌کنند. نرخ انحلال آند برابر با نرخ رسوب‌گذاری روی کاتد است. با این روش یون‌های موجود در حمام الکترولیت به طور پیوسته توسط آند ذخیره‌سازی می‌شوند. شکل 6 شمایی از تجهیزات مورد استفاده در آبکاری الکتریکی را نشان می‌دهد.

شکل 6- شمایی از تجهیزات مورد استفاده در آبکاری الکتریکی.

پارامترهای مؤثر بر خواص و ضخامت فیلم نازک سنتز شده با روش آبکاری الکتریکی عبارتند از: ترکیب شیمیایی الکترولیت، پایداری الکترولیت، PH حمام، دمای حمام، سرعت هم‌زدن حمام، چگالی جریان اعمالی به آند و سطح کاتد.

3-2-2- آبکاری الکترولس (Electroless Plating)فرآیند آبکاری الکتریکی با فرآیند آبکاری بدون جریان الکتریکی (الکترولس) تفاوت‌هایی در نحوه اعمال پوشش و کیفیت پوشش اعمال شده دارند. پوشش‌های بدون جریان الکتریکی به منبع جریان خارجی متصل نبوده و تنها شامل یک الکترود هستند. برای رسوب‌دهی این پوشش‌ها نیاز به وجود یک عامل احیاکننده وجود دارد. پوشش‌های حاصل از آبکاری الکتریکی دارای نرخ رسوب‌دهی بیشتر و به تبع آن، ضخامت بیشتر بوده و به زمان کمتری نیاز دارند؛ در حالی‌که آبکاری الکترولس، پوشش‌های نازک با کیفیت بالا تولید می‌کند. با این‌که روش الکترولس محدود به مس و نیکل است ولی بسیاری از محدودیت‌های روش آبکاری الکتریکی را ندارد. شکل 7 شمایی از تجهیزات روش الکترولس را نشان می‌دهد.

شکل 7- شمایی از تجهیزات روش الکترولس.

مزایای فرآیند رسوب‌دهی بدون جریان الکتریکی (الکترولس) نسبت به آبکاری الکتریکی عبارتند از:

· عدم نیاز به جریان الکتریسیته

· امکان لایه‌نشانی روی انواع سطوح مانند رسانا، نیمه‌رسانا و عایق

· یکنواختی بیشتر پوشش‌های سنتز شده به‌دلیل نبودن خطوط میدان

· قابلیت سنتز پوشش‌های سه‌ بعدی

· توانایی افزایش زبری سطح

· امکان اصلاح شیمیایی سطح.

3- آنالیز و مشخصه‌یابی لایه‌های نازکروش‌های مشخصه‌یابی لایه‌های نازک مشابه با روش‌های آنالیز سطح هستند. مشخصه‌یابی لایه‌های نازک برای شناسایی نوع ماده، خصوصیات فیزیکی، ساختار و مورفولوژی آن‌ها انجام می‌گیرد. با توجه به این نکته که ضخامت مهم‌ترین ویژگی لایه‌های نازک است، بنابراین عمده‌ترین روش مشخصه‌یابی لایه‌های نازک عبارتند از:

· طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (X-ray Photoelectron Spectroscopy; XPS)

· طیف‌سنجی الکترون اوژه (Auger electron Spectroscopy; AES)

· طیف‌سنجی جرمی یون ثانویه (Secondary Ion Mass Spectroscopy; SIMS)

1-3- طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکسطیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس که به‌عنوان طیف‌سنجی الکترونی برای آنالیز شیمیایی هم شناخته می‌شود، یک روش پرکاربرد و قدرتمند برای آنالیز سطوح و بررسی ترکیب شیمیایی سطوح مواد معدنی و آلی است. اساس این روش آنالیز حساس به سطح، برانگیختن اتم‌های سطح نمونه به کمک یک پرتو فوتونی و اندازه‌‌گیری انرژی فوتوالکترون‌های ساطع شده از سطح نمونه است. بنابراین، این روش یک روش مناسب برای آنالیز لایه‌های سطحی است. از آن‌جایی‌که انرژی اتصال الکترون در لایه‌های اتمی (Binding Energy) برای هر عنصر، مقدار مشخصی است، بنابراین با اندازه‌گیری این انرژی می‌توان به نوع عنصر موجود در سطح پی برد. در این روش علاوه بر آنالیز کمی و کیفی عناصر، امکان شناسایی ترکیبات شیمیایی هم وجود دارد. شکل 8 تصویری از دستگاه XPS را نشان می‌دهد.

شکل 8 - تصویری از دستگاه XPS.

2-3- طیف‌سنجی الکترون اوژهطیف‌سنجی الکترون اوژه یکی از روش‌های متداول برای آنالیز سطح است که برای مشخصه‌یابی ترکیب شیمیایی سطح به‌کار می‌رود. در این روش پرتو الکترونی به بیرونی‌ترین لایه اتمی نمونه برخورد کرده و با برهم‌کنش الاستیک باعث کنده شدن الکترون‌های اوژه از سطح ماده می‌شود. در این روش با اندازه‌گیری انرژی جنبشی الکترون‌های اوژه، نوع و درصد عناصر شیمیایی نزدیک سطح نمونه مشخص می‌شود. بیشترین عمق آنالیز در این روش 5 نانومتر (15 لایه اتمی) است. شکل 9 شمایی از نحوه کار دستگاه AES را نشان می‌دهد.

شکل 9- شمایی از نحوه کار دستگاه AES.

3-3- طیف‌سنجی جرمی یون ثانویهروش‌های آنالیز مبتنی بر یون، به‌دلیل حساسیت و قابلیت آشکارسازی تغییرات ترکیب شیمیایی در عمق نمونه، به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. روش طیف‌سنجی جرمی یون ثانویه یکی از روش‌های آنالیز ترکیب شیمیایی سطوح و لایه‌های نازک است که در آن پرتو شدید یون‌های متمرکز شده در محیط خلأ به‌طور مستقیم به سطح نمونه برخورد می‌کند. انتقال انرژی از یون‌های اولیه برخوردی به سطح نمونه باعث کندوپاش اتم‌ها و مولکول‌های سطح می‌شود. ذرات پراکنده شده از سطح که دارای بارهای مثبت و منفی هستند، یون ثانویه نامیده می‌شوند. با استفاده از این روش، نوع و مقدار عناصر موجود در سطح تا عمق 1-2 نانومتر قابل اندازه‌گیری است. شکل 10 تصویری از دستگاه SIMS را نشان می‌دهد.

شکل 10- تصویری از دستگاه SIMS.

4- کاربرد لایه‌های نازکامروزه استفاده از لایه‌های نازک در ساخت ادوات مدرن و پیچیده، رشد چشم‌گیری داشته است. از لایه‌های نازک می‌توان در زمینه‌های اپتیک، شیمی، مکانیک، مغناطیس و الکتریسیته استفاده کرد. مهم‌ترین کاربردهای این لایه‌ها عبارتند از: ترانزیستور، مغناطیس‌های غول‌پیکر، سلول‌های خورشیدی، لنزها، ممانعت‌کننده‌ها در برابر خوردگی، عایق‌ها و ... .

1-4- ترانزیستور

ترانزیستور لایه نازک (Thin Film Transistor; TFT)، یکی از ترانزیستورهای اثرمیدان است که از سه لایه پوشش شامل یک لایه نازک فعال نیمه‌هادی، لایه دی‌الکتریک و لایه فلزی روی یک زیرلایه تشکیل می‌شود. از کاربردهای این ترانزیستورها می‌توان به ساخت نمایشگرهای کریستال مایع اشاره کرد. یکی دیگر از انواع ترانزیستورهای لایه نازک شامل یک لایه اکسیدی بین دو لایه فلزی و نیمه هادی (Metal-Oxide-Semiconductor Transistor; MOS) است که در ماکروالکترونیک کاربرد وسیعی دارد. جهت آشنایی بیشتر با ترانزیستورهای لایه نازک به مقاله "ترانزیستورهای لایه‌های نازک برپایه مواد نیمه‌هادی آلی" در سایت آموزش نانو مراجعه کنید. شکل 11 شمایی از ساختار ترانزیستور لایه نازک را نشان می‌دهد.

شکل 11- شمایی از ساختار ترانزیستور لایه نازک.

به‌عنوان مثال، از ترانزیستور لایه نازک سیلیکون آمورف هیدوژنه شده به دلیل امکان رسوب‌دهی در دمای پایین و پیچیده نبودن فرآیند پوشش‌دهی آن در کاربردهای وسیعی مانند سوئیچینگ (Switching) نمایشگرهای کریستال مایع استفاده می‌شود. کارآیی این ترانزیستورها بستگی شدیدی به کیفیت فصل مشترک بین لایه نازک و لایه دی‌الکتریک دارد.

2-4- مغناطیس‌های غول‌پیکرکاربرد مهم دیگر لایه‌های نازک در مغناطیس‌های غول‌پیکر است که ساده‌ترین نوع آن شامل یک لایه فرومغناطیس نانومتری (مانند نیکل) روی ساختار فلز غیرمغناطیسی (مانند مس) است. با قرار گرفتن این مغناطیس‌های غول‌پیکر در میدان مغناطیسی، رسانایی بسیار بالایی در آن‌ها پدیدار می‌شود. به دلیل امکان افزایش شدید دانسیته ضبط مغناطیسی در ابزارهای حافظه توسط ساختارهای مبتنی بر مغناطیس‌های غول‌پیکر، از آن‌ها در ساخت هدهای مغناطیسی (Reading Heads) استفاده می‌شود.

3-4- سلول‌های خورشیدیسلول‌ خورشیدی یک قطعه الکترونیکی حالت جامد است که درصدی از انرژی خورشید را توسط اثر فوتوولتائیک به الکتریسیته تبدیل می‌کند. شکل 12 شمایی از ساختار سلول خورشیدی لایه نازک را نشان می‌دهد.

شکل 12- شمایی از ساختار سلول خورشیدی لایه نازک.

معمولاً برای استفاده از انرژی خورشیدی از صفحه‌های جمع‌کننده آلومینیوم-مس یا استیل گالوانیزه استفاده می‌شود. برای کاهش اتلاف حرارتی صفحات جمع‌کننده از طریق مکانیزم‌های هدایت و همرفت، آن‌ها را با لایه‌های نازک مانند CuLaSe₂ و NiAl₂O₃ ایزوله و ضدبازتاب می‌کنند. هم‌چنین، از سیلیسیوم پوشش داده شده با لایه نازک فسفر در تبدیل مستقیم لیزری انرژی خورشیدی به الکتریسیته استفاده می‌شود.

نتیجه‌گیریلایه نازک به لایه‌ای از مواد گفته می‌شود که دارای ضخامت نانومتری تا میکرومتری بوده و باعث ایجاد خواص جدید و متفاوت در سطح قطعات می‌شود. در این مقاله به بررسی روش‌های سنتز لایه‌های نازک و هم‌چنین روش‌های مشخصه‌یابی و کاربردها آن‌ها پرداخته شد. گفته شد که روش‌های سنتز لایه‌های نازک بسته به فرآیند لایه‌نشانی، منبع انرژی و محیط لایه‌نشانی به دو دسته عمده فیزیکی و شیمیایی تقسیم‌بندی می‌شوند. در روش‌های فیزیکی از ابزارهای مکانیکی، الکتروشیمیایی یا ترمودینامیکی برای تولید لایه نازک استفاده می‌شود. اشاره شد که روش‌های فیزیکی خود به دو دسته تبخیری و کندوپاش تقسیم می‌شوند. تأکید شد که در روش تبخیری، جنس و هندسه فیلامان گرم‌کننده تأثیر به‌سزایی روی سرعت پوشش‌دهی و خواص لایه نازک سنتز شده دارد. گفته شد که مقایسه روش‌های کندوپاش و تبخیر نشان می‌دهد که روش کندوپاش، روش بهتری برای سنتز لایه‌های نازک است. اشاره شد که روش‌های شیمیایی خود به سه دسته رسوب‌دهی شیمیایی بخار، آبکاری الکتریکی و آبکاری الکترولس تقسیم می‌شوند. تأکید شد که روش‌های مشخصه‌یابی لایه‌های نازک مشابه با روش‌های آنالیز سطح هستند. مهم‌ترین روش‌های آنالیز این لایه‌ها عبارتند از: طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس، طیف‌سنجی الکترون اوژه و طیف‌سنجی جرمی یون ثانویه. از لایه‌های نازک می‌توان در زمینه‌های اپتیک، شیمی، مکانیک، مغناطیس و الکتریسیته استفاده کرد. مهم‌ترین کاربردهای این لایه‌ها عبارتند از: ترانزیستور، مغناطیس‌های غول‌پیکر، سلول‌های خورشیدی، لنزها، ممانعت‌کننده‌ها در برابر خوردگی و عایق‌ها.