دانشکده علوم پايه
پايان نامه دوره کارشناسي ارشد در رشته فيزيک حالت جامد
موضوع:
مطالعه فرآيند رشد نانولايه هاي نازک به وسيله مدل باريکه مولکولي
خالصMBE
استاد راهنما:
دکتر ابراهيم دريايي
دانشجو:
معصومه ترابي
اسفند ماه 1393
سپاسگزاري
شکر خدا، که هر چه طلب کردم از خدا بر منتهاي همت خود کامران شدم.
سپاسگزار کساني هستم که سرآغاز تولد من هستند.از يکي زاده ميشوم و از ديگري جاودانه. استادي که سپيدي را بر تخته سياه زندگيم نگاشت و مادري که تار مويي از او بپاي من سياه نماند.
از آنجايي که تجليل از مقام پرمنزلت معلم، سپاس از انساني است که هدف و غايت آفرينش را تامين مي کند و سلامت امانت هايي را که به دستش سپرده اند تضمين، به مصداق “من لم يشکر المخلوق لم يشکر الخالق ” بسي شايسته است که کمال تشکر و قدرداني را از کساني که در اين مسير ياريگر من بودند بنمايم:
با تشکر از استاد گرانقدر و فرهيخته؛ جناب آقاي دکتر دريايي که در کمال سعه صدر، با حسن خلق و فروتني، از هيچ کمکي در اين عرصه بر من دريغ ننمودند و زحمت راهنمايي اين پايان نامه را بر عهده گرفتند؛
با امتنان بي کران از مساعدت هاي بي شائبه ي اساتيد عالي مقام جناب آقاي دکتر سخايي رياست محترم دانشگاه و جناب آقاي دکتر وجداني مديريت محترم گروه فيزيک؛
با سپاس از اساتيد فرزانه جناب آقاي دکتر رمضانپور و جناب آقاي دکتر صابريان که زحمت داوري اين اثر را متقبل شدند؛
با تقدير فراوان خدمت پدر و مادر بسيار عزيز ، دلسوز و فداکارم که پيوسته جرعه نوش جام تعيلم و تربيت ، فضيلت و انسانيت آنها بوده ام.
و سپاس بي منتها از همسرم که در سايه ي همدلي و همراهي او به اين مقصود رسيدم.
باشد که اين خردترين، بخشي از زحمات آنان را سپاس گويد.
تقديم
ماحصل آموخته هايم را در نهايت احترام تقديم مي کنم به پدر و مادر عزيزم
پدر که راه را به من نشان داد و مادر که چگونه رفتن را به من آموخت…
که هرچه آموختم در مکتب عشق شما آموختم و هرچه بکوشم قطره اي از درياي بي کران مهربانيتان را سپاس نتوانم بگويم.
باشد که حاصل تلاشم غبار خستگيتان را بزدايد.
بوسه بر دستان پرمهرتان.
و تقديم به همسفر مهربان زندگيم، همسرم
به پاس قدر داني از قلبي آکنده از عشق و معرفت
که با محبت هاي بي دريغش آرامش را به من هديه داد.
چکيده
امروزه بررسي سطوح مواد به عنوان محل برهمکنش جامد با بيرون، از اهميت بسيار زيادي برخوردار است. توپوگرافي و شکل سطوح نيز مي تواند بر عملکرد فيزيکي و کاربرد آنها تاثير بگذارد، بنابراين بررسي سطوح از لحاظ تجربي و نظري اهميت زيادي دارد با گام برداشتن به سمت نانو ساختار ها، اهميت علم لايه هاي نازک در ميان ساير علوم رشد قابل ملاحظه اي داشته است. لايه هاي نازک، به دليل نازک بودن و در نتيجه ظهور خواص کوانتومي و همچنين بزرگي نسبت سطح به حجم بسيار حائز اهميت هستند. توليد مواد با خلوص بالا يکي از نکات مهم در ساخت لايه هاي نازک است. تکنيک MBE يکي از روش هاي مورد توجه، جهت توليد مواد با خلوص بالا است.
در اين پايان نامه با بهره گيري از نرم افزار برنامه نويسي Matlab مدل هاي مختلف لايه نشاني شبيه سازي شده و يک مدل جديد براي لايه نشاني به روش MBE ارائه داده شده و تغييرات لگاريتمي زبري بر حسب زمان مورد بررسي قرار گرفت. مشاهده شد که فرآيند رشد در دو مرحله انجام مي شود و از دو تئوري مختلف پيروي مي کند. ابتدا تئوري خطي MBE و سپس معادله ادوارد-ويلکينسون برقرار است. همچنين در اين مدل، تاثيرات دما و سرعت لايه نشاني بر فرآيند رشد سطح مورد بررسي قرار گرفت و مشاهده شد که با اعمال اين تغييرات، شيب نمودار در دو قسمت ثابت باقي مي ماند و فقط مدت زماني که طول مي کشد تا فرآيند رشد از يک مدل به مدل ديگري وارد شود متفاوت است.
واژه هاي کليدي:
رشد سطوح، زبري نانوساختار، لايه نازک، باريکه مولکولي، طول همبستگي
فهرست مطالب
عنوان صفحه
مقدمه…1
فصل اول: مفاهيم لايه نازک و رشد سطح2
1-1 مفاهيم لايه نازک2
1- 2 تاريخچه لايه نازک3
1-3 خواص لايه نازک4
1-3-1 خواص مکانيکي5
1-3-2 خواص الکتريکي6
1-3-3 خواص مغناطيسي8
1-3-4 خواص نوري10
1-3-5 خواص شيميايي11
1-3-6 خواص حرارتي11
1- 4 اهميت و کاربرد لايه نازک11
1-5 روشهاي ساخت لايه نازک12
1-5-1 روشهاي فيزيکي13
1-5-1-1 روشهاي تبخيري14
1-5-1-1-1 لايه نشاني به روش MBE15
1-5-1-2 کندوپاش19
1-5-2روشهاي شيميايي22
1-5-2-1 انباشت شيميايي بخار (CVD)22
1-5-2-2 آبکاري الکتريکي24
1-5-2-3 سل- ژل24
فصل دوم: مفاهيم رشد و بررسي مدل هاي پيوسته و گسسته26
2-1 مدل لايه نشاني تصادفي26
2-2 مدل لايه نشاني بالستيک27
2-3 مدل لايه نشاني تصادفي همراه با نرم سازي28
2-4 همبستگي در طول فرآيند رشد29
2-5تعاريف متداول در رشد سطح30
2-5-1 ناهمواري30
2-5-2 رابطه مقياس33
2 – 6 فرکتال34
2-6-1 تاريخچه و معرفي فرکتال34
2-6-2 انواع فرکتال36
2-6-2-1 فرکتال همسانگرد36
2-6-2-2 فرکتال ناهمسانگرد39
2- 7 معادله ضمني رشد40
2- 8 اصول تشابه41
2-9 معادله کلي رشد43
2-9-1 معادله RD44
2-9-2 معادله ادوارد-ويلکينسون44
2-9-2-1 حل معادله ادوارد-ويلکينسون46
2-9-3 معادله کاردر-پاريزي و ژنگ49
2-10 فرآيند هاي دخيل در رشد تجربي سطح51
2-10-1 نشست بر روي سطح52
2-10-2 جذب شدگي52
2-10-3 انتشار بر روي سطح52
2-11 تئوري مدل MBE53
2-11-1 تئوري خطي مدل MBE53
2-11-1-1 حل معادله رشد خطي همراه با پيشروي MBE55
2-11-2 تئوري غير خطي مدل MBE56
فصل سوم: شبيه سازي مدل هاي مختلف رشد سطح59
3- 1 الگوريتم لايه نشاني به روش RD59
3-2 الگوريتم لايه نشاني به روش BD61
3-3 الگوريتم لايه نشاني به روش RDSR65
3-4 مدل هاي لايه نشاني MBE68
3-4-1 مدل داس سرما و تامبورني69
3-4-1-1 الگوريتم مدل داس سرما و تامبورني71
3-4-2 مدل جديد ارائه شده73
3-4-2-1 الگوريتم مدل جديد74
3-4-2-2 بررسي تغييرات نرخ نشست ذرات بر روي سطح76
3-4-2-3 بررسي تغييرات دما78
نتيجه گيري و جمع بندي79
منابع و مأخذ81
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1: نماي شماتيک يک لايه نازک3
شکل 1-2 : نمودار تعيين ميزان انرژي تبادلي9
شکل 1-3 : نمودار روش هاي ساخت لايه نازک13
شکل1-4 : نماي شماتيک از دستگاه MBE در زواياي مختلف18
شکل 1-5: طرح واره سيستم کندوپاش 22
شکل2-1: تصويرشماتيک مدل لايه نشاني تصادفي26
شکل 2-2 : تصوير شماتيک مدل لايه نشاني به روش بالستيک27
شکل 2-3 : تصوير شماتيک مدل لايه نشاني تصادفي همراه با نرم سازي29
شکل 2-4 : نمودار تغييرات زماني پهناي فصل مشترک در مدل لايه نشاني بالستيک براي 200L=31
شکل 2-5 : نمودار تغييرات زماني پهناي فصل مشترک براي چندين سيستم32
شکل 2-6 : تصويري شماتيک از بازسنجي پهناي فصل مشترک نسبت به زمان (تغييرات تابع g(u))34
شکل 2-7 : طرح شماتيک ساخت فرکتال دانه برفي کخ37
شکل 2-8 : مثلث هاي سرپينسکي38
شکل 2-9 : تغيير مقياس همسانگرد و ناهمسانگرد براي يک فرکتال ساده …………………………………………………..40
شکل 2-10 : تاثير عامل ????^2 h بر روي سطح در حال رشدh46
شکل 2-11 : تاثير عامل ?(??h)?^(2 ) بر روي سطح در حال رشد h50
شکل 2-12 : طرح شماتيکي از فرآيند هاي مقدماتي بر روي سطح51
شکل 2-13 : تاثير عامل ?_1 ?^4 h بر روي سطح در حال رشد h55
شکل 2-14 : تاثير عامل ?_1 ?^2 (??h)?^(2 ) بر روي سطح در حال رشد h57
شکل 3-1 : نمودار تغييرات زماني پهناي فصل مشترک براي لايه نشاني به روش RD براي يک نمونه60
شکل 3-2: نمودار تغييرات زماني پهناي فصل مشترک براي لايه نشاني به روش RD براي چندين نمونه60
شکل 3-3: نمودار تغييرات زماني پهناي فصل مشترک براي لايه نشاني به روش BD……………………………………..62
شکل3-4: نمودار تغييرات زماني پهناي فصل مشترک براي لايه نشاني به روش BD براي سيستم هاي مختلف63
شکل 3-5: نمودار جابجايي منحني هاي رسم شده به روش لايه نشاني BD در راستاي عمودي64
شکل 3-6: نمودار انطباق منحني هاي تغييرات زماني پهناي فصل مشترک براي لايه نشاني به روش BD.65
شکل 3-7: نمودار تغييرات زماني پهناي فصل مشترک براي لايه نشاني به روش RDSR. ……………………………….67
شکل 3-8: نمودار انطباق منحني هاي تغييرات زماني پهناي فصل مشترک براي لايه نشاني به روش RDSR 67
شکل3-9: مکانيزم نرم سازي مدل ولف و ويليان68
شکل 3-10:مکانيزم نرم سازي مدل داس سرما و تامبورني68
شکل 3-11:نمودار تغييرات زماني پهناي فصل مشترک براي لايه نشاني با مدل داس سرما و تامبورني 71
شکل 3-12: نمودار انطباق منحني هاي تغييرات زماني پهناي فصل مشترک در لايه نشاني با مدل داس سرما و تامبورني.73
شکل3-13:نمودار تغييرات زماني پهناي فصل مشترک با مدل جديد ارائه شده براي سيستم هاي مختلف………………..75
شکل3-14: نمودارانطباق منحني هاي تغييرات زماني پهناي فصل مشترک براي لايه نشاني با مدل جديد ارائه شده76
شکل3-15: نمودارانطباق منحني هاي تغييرات زماني پهناي فصل مشترک در لايه نشاني با مدل جديد ارائه شده به ازاي تغييرات نرخ نشست ذرات..77
شکل3-16: نمودارانطباق منحني هاي تغييرات زماني پهناي فصل مشترک در مقياس لگاريتمي در لايه نشاني با مدل جديد ارائه شده به ازاي تغييرات دما78
مقدمه
مطالعه بر روي خواص هندسي سطوح در حال رشد يکي از مهم ترين دغدغه هاي فيزيک آماري غيرتعادلي محسوب مي شود. اين موضوع نه تنها به دليل چالش براي فيزيکدانان نظري به منظور مدل کردن فرآيند رشد سطح، بلکه از لحاظ تجربي به منظور شکل دهي به سطوح از اهميت ويژه اي برخوردار است. امروزه زبري سطوح در بسياري از فناوري هاي نوين مورد توجه وسيعي قرار گرفته است. زبري سطح اثر بسيار مهمي در بسياري از پديده هاي فيزيکي همچون چسبندگي ،اصطکاک ،آبدوستي ،آب گريزي و خودتميزکنندگي سطوح دارد. با توجه به اهميت نانوتکنولوژي، لايه هاي نازک از دو ويژگي مهم برخوردار هستند. اولين ويژگي، ضخامت زيرميکروني اين لايه ها است که به دليل محدوديت کوانتومي، هر چه به اندازه نانو نزديک تر شوند، ويژگي هاي متفاوت‌ تري را براي لايه به وجود مي آورند و دومين ويژگي، آن است که لايه ها مي توانند سطوح فوق العاده بزرگي نسبت به ضخامت خود داشته باشند.
يکي ازروش هاي لايه نشاني به روش تبخيري که در تکنولوژي براي رشد لايه هاي نازک با خلوص بالا مورد استفاده قرار مي گيرد، روش باريکه مولکولي خالص (MBE) است. در اين روش شرايط خلاء بالا براي ايجاد خلوص بيشتر و پارامتر نرخ رشد پايين، براي دقت لايه نشاني بالا، نقش اساسي در مشخصات فيزيکي لايه هاي رشد داده شده با اين روش را دارند.
مطالب در اين پايان نامه در سه فصل جمعآوري شده است. در فصل اول به مروري بر روش هاي مختلف لايه نشاني پرداخته ايم. در فصل دوم کلاس هاي مختلف رشد سطح را معرفي کرده و تئوري هاي خطي و غير خطي MBE را مورد بررسي قرار داده ايم. در فصل سوم شبيه سازي مدل هاي مختلف رشد سطح انجام شده و در پايان يک جمع بندي از نتايج حاصل ارائه شده است.

فصل اول: مفاهيم لايه نازک و رشد سطح
1-1 مفاهيم لايه نازک
معمولا در فيزيک حالت جامد، مواد را به صورت توده اي مورد بررسي قرار مي دهند. در عموم روش هاي لايه نشاني، هنگامي که مواد از حالت توده اي به صورت اتم ها، ملکول ها يا يون هاي مجزا درآيند و روي سطح زيرلايه1 بنشينند، پوششي ايجاد مي شود که آنرا لايه مي نامند.
اصولاً لايه ها و پوشش هاي مختلف از نقطه نظر ضخامت به سه گروه تقسيم مي شوند که عبارتند از :
1-لايه هاي بسيار نازک با ضخامت کمتر از 50 آنگستروم
2-لايه هاي نازک با ضخامت بين 50 تا 5000 آنگستروم
3-لايه هاي ضخيم با ضخامت بيش از 5000 آنگستروم
طبق تعاريف بالا، لايه هاي نازک لايه هايي هستند که ضخامت آنها بين50 تا5000 آنگستروم باشد. به بيان ديگر لايه هاي نازک ، پوشش هاي نانومتري با دقت اتمي طراحي شده اي از انواع مواد اعم از فلزات، عايق ها و نيمه رساناها هستند. به طور معمول ساختمان لايه هاي نازک متشکل از يک لايه و يک زير لايه است، که اين لايه نازک توسط روش هاي مختلف لايه نشاني بر روي سطح نشانده مي شود. مجموع سيستم ( لايه و زير لايه ) باعث ايجاد خواص جديدي مي شود که با خواص همان لايه به صورت توده اي متفاوت است و خصوصيات سطحي زير لايه را ارتقاء مي‌بخشد. شکل (1-1) ساختار شماتيک لايه و زيرلايه را نشان مي‌دهد .]1[
شکل 1-1: نماي شماتيک يک لايه نازک
همچنين کاربرد عمده اين لايه هاي نازک در اصلاح خواص سطح جامدات است. لايه هاي نازک و بسيار نازک، از دو ويژگي مهم برخوردار هستند. اولين ويژگي، ضخامت زيرميکروني اين لايه ها است که به دليل محدوديت کوانتومي، هر چه به اندازه نانو نزديک تر شوند، ويژگي هاي متفاوت‌ تري را براي لايه به وجود مي آورند و دومين ويژگي آن است که لايه ها مي توانند سطوح فوق العاده بزرگي نسبت به ضخامت خود داشته باشند، به بيان ديگر افزايش نسبت سطح به حجم را دارا هستند. اين دو ويژگي بر اهميت چشمگير اين لايه ها مي افزايند.]1-2[
1- 2 تاريخچه لايه نازک
تکنولوژي لايه هاي نازک يکي از قديمي ترين هنرها و در عين حال يکي از جديد ترين علوم به شمار مي رود. تاريخچه استفاده از لايه هاي نازک بخصوص لايه هاي نازک فلزي، به عهد باستان و در حدود ???? سال پيش برمي گردد. طلاکاري و اکليل زدن، نمونه هاي بارزي از اين هنرها در دوران گذشته مي باشد. لايه هاي نازک فلزات گرانبها بر روي شيشه ها و سراميک هاي تزييني از صد ها سال پيش مورد استفاده بوده است. پيش از قرن هفدهم با کشيدن نمک نقره بر روي شيشه هاي دارويي کوچک و حرارت دادن آن، نمک را به فلز نقره تبديل مي کردند. روش ديگر بسيار قديمي، شکل دادن لايه نازک طلا با ضربه بر روي آن بود، به طوريکه ضخامت لايه به 4 تا 5 ميليونيوم اينچ مي رسيد. اما اولين لايه نازک مدرن در سال 1838 به روش الکتروليز به دست آمد. بونسن و گروو2 توانستند لايه نازک فلزي را به ترتيب با روش واکنش شيميايي3 و پراکنش تخليه نوراني4 بدست آورند. فارادي در سال 1857 با استفاده از تبخير حرارتي5 لايه نازک فلزي را بدست آورد.
در قرن 19 ميلادي لايه نازک مايع از ديدگاه اپتيکي بسيار مورد توجه بوده و رفته رفته با پيشرفت تکنولوژي، در قرن 20 ميلادي توليد لايه نازک جامد رشد پيدا کرد. در اوايل قرن 20 ميلادي، با رشد تکنولوژي ميکروالکترونيک، ساخت لايه هاي نازک تر از 1ميکرومتر(زيرميکروني) اهميت ويژه اي بدست آورد و در اواخر قرن 20 با ظهور مباحث نانومتري، توليد لايه هاي نازک نانومتري (زير 100نانومتر) پيشرفت چشمگيري يافت. امروزه تکنولوژي ساخت لايه هاي نازک بسيار گسترش يافته و به سمت فناوري نانو سوق داده شده است .]2-3-4[
1-3 خواص لايه نازک
خواص لايه هاي نازک نظير خواص مکانيکي، نوري، الکتريکي و … به پارامترهاي زيادي وابسته است که اين پارامترها مربوط به روش توليد و کيفيت و نوع ماده ي زير لايه خواهند بود. از جمله اين پارامترها مي توان به، ميزان خلا، سرعت لايه نشاني، دماي زيرلايه، جريان گاز عبوري حين فرايند رشد و خلوص مواد پوشش اشاره کرد.]1[
در مورد سطح مشترک لايه و زيرلايه، بايستي دقت نمود که مرز مشترک آن عاري از هرگونه آلودگي و ناخالصي باشد و ناصافي آن به حداقل ممکن برسد تا اتصال در سطح مشترک به خوبي صورت بگيرد. در مورد ساختار نيز، نظم اتمي لايه و زيرلايه مي تواند نقش مهمي در ويژگي هاي لايه نازک داشته باشد. همچنين خواص شيميايي به دليل ايجاد واکنش شيميايي که ممکن است بين اتم هاي لايه و زيرلايه انجام شود، بايد به دقت مورد بررسي قرار گيرد. در حيطه خواص حرارتي، نزديکي ضريب انبساط حرارتي لايه و زيرلايه موضوع حائز اهميتي است تا لايه ايجاد شده بر روي زيرلايه چروکيده يا پاره نشود و در برابر شوک هاي حرارتي مقاوم باشد. همچنين در مورد خاصيت مکانيکي، لايه و زيرلايه بايستي از استقامت مکانيکي خوبي برخوردار باشند.]2[
در ادامه به تفصيل به بررسي خواص لايه هاي نازک مي پردازيم.
1-3-1 خواص مکانيکي
يکي از خواص مهم لايه هاي نازک خواص مکانيکي است. روش هاي مختلف ساخت لايه هاي نازک، باعث ايجاد عيوبي از جمله نابجايي ها در اين لايه ها مي شوند و چون اين عيوب قابليت حرکت ندارند، در جاي خود قفل مي شوند. غلظت بالاي نابجايي ها و عدم تحرک آنها سبب افزايش خواص مکانيکي نظير سختي و مقاومت به سايش آنها مي شود، که قابل مقايسه با حالت توده اي شکل ماده نيست.
رفتار مکانيکي لايه هاي نازک مانند استحکام و چسبندگي آن ها سهم بسزايي در کارايي لايه هاي نازک دارد. عوامل موثر بر خواص مکانيکي شامل اندازه و شکل دانه هاي تشکيل شده درون لايه ها، حضور تهي جاها، نا بجايي ها و … مي باشد. در لايه هاي نازک دو نوع تنش رخ مي دهد، تنش هاي گرمايي و تنش هاي ذاتي. از آنجا که معمولا بيشتر روش هاي لايه نشاني در دماي بالاتر از دماي محيط انجام مي شوند )نظير روش هاي تبخير فيزيکي و شيميايي) غلظت نابجايي ها افزايش مي يابد و از طرفي چون مواد مختلف، ضرايب انبساط گرمايي متفاوتي دارند به دنبال آن مقداري تنش حرارتي در لايه نازک ايجاد مي شود که تابع اختلاف دماي لايه نشاني و دماي کاربردي لايه نازک است. تنش ذاتي يا داخلي به عواملي همچون فرايندهاي رشد غير تعادلي بستگي دارد و موجب تشکيل ساختار هاي غير تعادلي مي شود.
از ديگر خواص مکانيکي لايه هاي نازک، استقامت کششي آن ها است. به طور کلي استقامت کششي لايه، تابع ضخامت آن است و همچنين تشکيل لايه اکسيدي بر روي آن مي تواند سبب افزايش اين استقامت شود.]2-3-4[
1-3-2 خواص الکتريکي
بررسي خواص الکتريکي مواد، عمدتا براساس نظريه نواري صورت مي گيرد، که در آن ترازهاي انرژي الکتروني و چگالي حالت ها، فلز يا نيم رسانا و يا عايق بودن ماده را تعيين مي کنند. اين ترازهاي انرژي در توده مواد و در سطح مربوط به لايه هاي نازک با يکديگر متفاوتند، به اين صورت که برخي از ترازهاي انرژي ممنوعه در حالت توده مواد، تبديل به ترازهاي گسسته مجاز مي شوند و همچنين در فصل مشترکي که دو سطح با يکديگر برهم کنش دارند،‌ ترازهاي انرژي ديگري تحت تاثير قرار مي گيرند. کاربرد اين مباحث در اتصالات بين قسمت هاي مختلف مدارهاي مجتمع، وسايل ميکروالکترونيک، الکترونيک و… با استفاده از لايه هاي نازک مي باشد.]2[
در مواد رسانا صرف نظر از اينکه يک ماده توده يا لايه نازک باشد، تعدادي حامل بار الکتريکي با سرعت مشخص در ميدان الکتريکي حرکت مي کند که سبب عبور جريان در ماده مي شود. در مورد لايه نازک علاوه بر اينکه تعداد حامل هاي بار کاهش مي يابد، به علت کاهش ضخامت لايه، حرکت الکترون ها نيز محدود مي شود. به همين علت الکترون ها با اندک انحراف6 از مسير حرکتشان، باعث کاهش رسانايي مي شوند. فاصله يک انحراف از مسير حرکت تا انحراف ديگر را طول پويش آزاد ميانگين7 مي نامند که رسانايي ماده تابع اين پارامتر است. ضخامت لايه نازک مي تواند کمتر از طول پويش آزاد آن گردد، که در اين حالت، الکترون ها دائما با ديواره لايه نازک برخورد مي کنند و رسانايي ماده بسيار کاهش مي يابد و اين به معني افزايش شديد مقاومت الکتريکي لايه نازک خواهد بود. در لايه هاي نازک فلزي، مقاومت الکتريکي بيشتر از حالت توده اي ماده است که اين ميزان با افزايش ضخامت لايه نازک، کاهش پيدا مي کند. در ساخت لايه هاي نازک، سه نوع مورفولوژي مي تواند ايجاد شود:
لايه ساختار کاملا منسجم داشته باشد.
لايه داراي تخلخل باشد.
لايه بصورت ذرات جدا از هم تشکيل شود.
خواص الکتريکي لايه هاي نازک شديدا به مورفولوژي آن ها بستگي دارد. در اين ميان، بهترين رسانايي مربوط به لايه هاي نازک منسجم و کمترين رسانايي در لايه هايي با ذرات جدا از هم مي باشد. در لايه هاي فلزي منسجم نيز، رسانايي بسيار بيشتر از لايه هاي فلزي غير منسجم است اما برخلاف لايه هاي فلزي منسجم، با افزايش دما رسانايي لايه هاي فلزي غير منسجم افزايش مي يابد.
رسانايي لايه نازک منسجم(?) به اين ترتيب قابل محاسبه است:
(1-1)
در رابطه بالا l طول پويش آزاد الکترون، n تعداد حامل هاي بار، eبار الکترون، m جرم الکترون و V سرعت ميانگين الکترون ها در ناحيه فرمي است].7-6[
1-3-3 خواص مغناطيسي
اساس خاصيت مغناطيسي مواد به چرخش الکترون به دور خود يا اسپين الکترون مربوط است. مطابق شکل (1-2) که مربوط به نمودار تعيين مواد فرومغناطيس وآنتي فرو مغناطيسي است ] 5[، اگر نسبت R/r(شعاع اتم به شعاع اوربيتال تک الکتروني)به گونه اي باشد که ميزان انرژي تبادلي 8در ناحيه مثبت قرار گيرد، ماده مي تواند خاصيت مغناطيسي از خود نشان دهد.]8[
مقصود از انرژي تبادلي مقدار انرژي است که موجب موازي شدن اسپين الکترون ها مي شود. به منطقه اي که در آن اسپين الکترون ها موازي و هم جهت هستند، ناحيه مغناطيسي9 گفته مي شود.
شکل 1-2 : نمودار تعيين ميزان انرژي تبادلي
فلزات واسطه نظير Fe و Co و NiوGd جزء مواد مغناطيسي طبيعي هستند. اندازه دومين ها در حدود 50 ميکرومتر مي باشد. با کاهش ضخامت لايه نازک خاصيت مغناطيسي نيز کاهش مي يابد، زيرا در اين حالت به علت افزايش تعداد الکترون هاي سطحي و آزادي بيشتر اين الکترون ها، به سختي مي توان همه آن ها را هم جهت و موازي نمود. کاهش بيشتر ضخامت لايه هاي نازک به کمتر از اندازه دومين مغناطيسي مي تواند آنها را به لايه هاي پارا مغناطيس تبديل کند. اما در لايه هاي نازک، آثار پارا مغناطيس و ديا مغناطيس به قدري ضعيف است که به سختي آشکار مي شود. خواص فرو مغناطيس به دماي زيرلايه، آهنگ لايه نشاني و اجزاي سازنده بستگي دارد. با استفاده از فلزات مغناطيسي(Fe و Co وNi ) مي توان لايه هاي نازک فرومغناطيس را توليد نمود که کاربرد وسيعي در ابزار حافظه کامپيوتر دارند، زيرا در لايه هاي نازک به علت کاهش تعداد دومين ها، زمان مغناطيس شدن و مغناطيس معکوس، کاهش مي يابد. خاصيت مغناطيسي لايه هاي نازک به شدت به مورفولوژي و ميکروساختار و تاحدودي به شکل هندسي لايه بستگي دارد.]2-4[
1-3-4 خواص نوري
پديده هاي مختلف نوري در مواد شامل بازتاب10، جذب11، عبور12و تداخل13نور مي باشد.
(1-2)
به طوري که درصد بازتاب، درصد جذب، درصد عبور و درصد پراکندگي نور مي باشد. پارامترهاي اصلي واکنش نور با لايه هاي نازک شامل ضريب شکست ( n)و ثابت جذب (k) مي باشد. به طور کلي هيچ ماده اي وجود ندارد که نور را کاملا جذب کند يا آن را به طور کامل بازتاب کند. تمام جامدات قسمتي از نور را جذب و قسمتي از آن را بازتاب مي کنند. چنانچه در ماده اي، k>>nباشد يعني در آن ماده جذب بالا اتفاق مي افتد مانند مواد عايق و دي الکتريک ها. در لايه هاي نازک در محدوده نانومتري با ضخامت بالاتر از 10 نانومتر، ضريب شکست لايه از ضريب شکست همان ماده در حالت توده کوچکتر است و در مقابل، ضريب جذب آن بالاتر از حالت توده اي ماده است، پس بنابراين لايه هاي نازک جذب نور بالاتري دارند. درجه افزايش k و کاهش n تابع پارامترهاي لايه نشاني نظير نحوه لايه نشاني، تخلخل لايه و ضخامت آن مي باشد. معمولا براي لايه نشاني با اهداف نوري، از روش هاي فيزيکي استفاده مي شود. از تغييراتي که در ثابت هاي جذب و بازتاب لايه نازک ايجاد مي شود، مي توان در کاربردهاي وسيعي نظير آينه ها و لايه هاي ضدانعکاس استفاده نمود، همچنين بيشترين کاربرد آن مربوط به سيستم هاي چندلايه است که با ترکيب چند لايه با ضخامت ها و ضريب شکست هاي متفاوت ايجاد مي شود.[4-3[
1-3-5 خواص شيميايي
در لايه هاي نازک به علت سطح تماس زياد لايه با محيط، واکنش پذيري لايه نسبت به ماده توده اي افزايش مي يابد، لذا از اين خاصيت لايه هاي نازک مي توان به عنوان سنسور شناسايي مواد شيميايي استفاده نمود. ]4[
1-3-6 خواص حرارتي
از آن جا که لايه هاي نازک از نسبت سطح به حجم بالايي برخوردارند، لذا تعداد اتم هاي سطحي بيشتري دارند و چون اتم هاي سطحي ماده آزادي عمل بيشتري نسبت به اتم هاي درون شبکه دارند، به همين دليل دماي ذوب لايه نازک کمتر از دماي ذوب همان ماده در حالت توده اي است.[4-7[

1- 4 اهميت و کاربرد لايه نازک
در سال هاي اخير، علم لايه هاي نازک در ميان ساير علوم رشد قابل ملاحظه اي داشته و حجم وسيعي از تحقيقات را به خود اختصاص داده است. لايه هاي نازک با ضخامت زير ميکروني، با خواصي ناشي از دو ويژگي اصلي آن ها که شامل نازک بودن سطح و بزرگي فوق العاده نسبت سطح به حجم است، کاربردهاي فراواني در فناوري هاي نوين يافته اند. برخي از خصوصياتي که در اثر نازک بودن سطح به وجود مي آيد، شامل افزايش مقاومت ويژه، ايجاد پديده تداخل نور، پديده تونل زني، مغناطيس شدگي سطحي، تغيير دماي بحراني ابررساناها مي باشد و همچنين برخي از خصوصياتي که از بزرگي سطح لايه هاي نازک ناشي مي شود شامل پديده جذب سطحي فيزيکي، پديده جذب سطحي شيميايي، پديده پخش و فعالسازي مي باشد.
بي شک رشد چشمگير ارتباطات، پردازش اطلاعات، ذخيره سازي، صفحه هاي نمايش، صنايع تزئيني، وسايل نوري، مواد سخت و عايق ها نتيجه توليد لايه هاي نازک براساس فناوري هاي نوين مي باشد. با توجه به عملکرد و خواص لايه هاي نازک، مي توان از آنها جهت بهبود تکنولوژي هايي نظير سلول هاي خورشيدي و سنسورها نيز استفاده نمود. اهميت عمده لايه هاي نازک در صنايع الکترونيک، ميکروالکترونيک و صنايع نوري مي باشد که در سال هاي اخير با پيشرفت فناوري نانو، رشد قابل ملاحظه اي را در اصلاح خواص سطحي مواد داشته است و اين تحولات در سال هاي اخير، خود ناشي از پيشرفت در فناوري خلاء، توليد ميکروسکوپ هاي الکتروني و ساخت وسايل دقيق و پيچيده شناسايي مواد مي باشد. از نقطه نظر تاريخي در ابتدا تکنولوژي لايه نازک در صنايع مدارهاي مجتمع استفاده شد و در طي 40 سال اخير، نياز صنايع به ابزارهاي کوچکتر و سريعتر، تکنولوژي و فيزيک لايه هاي نازک را جهت رسيدن به اين هدف بهبود بخشيد. امروزه کاربرد لايه نشاني در صنايع، موضوع توسعه يافته اي است به گونه اي که بخش بزرگي از زندگي مدرن را مديون توسعه صنعت لايه نشاني مي دانند.]2-9[

1-5 روشهاي ساخت لايه نازک
در علم لايه نازک، فرآيند لايه نشاني از اهميت ويژه اي برخوردار است. بر اساس معيارهاي مختلف، دسته بندي هاي متعددي ارائه شده که مهمترين آن تقسيمات بر اساس نوع فرآيند است. روش هاي سنتز لايه هاي نازک به دو دسته عمده، روش هاي فيزيکي و روش هاي شيميايي تقسيم بندي مي شوند.]2-3 [
شکل 1-3 : نمودار روش هاي ساخت لايه نازک
1-5-1 روشهاي فيزيکي
قديمي ترين روش ساخت لايه هاي نازک، روش فيزيکي است که در سال 1857 توسط فارادي با تبخير يک فيلامان فلزي انجام شد. اين فرآيند شامل دو روش تبخيري14 و پراکنش (کندوپاش15) مي باشد.

1-5-1-1 روشهاي تبخيري
در اين روش ماده مورد نظر درون محفظه اي با فشار معين (معمولا فشار کمتر از 1 اتمسفر) قرار مي گيرد، سپس با اعمال حرارت تبخير شده و بخار حاصل بر روي زير لايه کندانس مي شود. در اين روش، نوع و شکل فيلامان گرم کننده روي سرعت پوشش دهي و خصوصيات لايه تشکيل شده تاثير مي گذارد. بايد در انتخاب فيلامان دقت نمود، زيرا فشار بخار فيلامان نبايستي از فشار بخار هدف16 مورد نظر بيشتر باشد، تا به هنگام تبخير هدف، فيلامان همراه با آن تبخير نشود.
از جمله موادي که با اين روش لايه نشاني مي شوند آلومينيوم،کروم، مس، طلا، نيکل، کادميم، پالاديم، تيتانيم، تنگستن و تانتاليم مي باشند. معمولا فيلامان ها از يک ماده ديرگداز نظير تنگستن يا گرافيت انتخاب مي شوند. اما چنانچه هدف، ساخت لايه هاي نازک ديرگداز مثل تنگستن و تانتاليم باشد، بايستي از روش قوس الکتريکي براي تبخير آن استفاده نمود. در تکنولوژي هاي بالاتر، از روش پرتو الکتروني با انرژي بالا جهت تبخير ماده استفاده مي شود. در اين روش با کنترل ولتاژ شتاب دهنده الکترون، انرژي پرتو الکتروني تنظيم شده و حرارت به صورت متمرکز بر روي هدف اعمال مي گردد.[2-3[
لايه نشاني به روش تبخيري شامل روش تبخير مقاومتي، روش تفنگ الکتروني، روش تبخير ليرزي و روش باريکه مولکولي خالص17 مي باشد، که در ادامه به تفصيل آن را بررسي مي کنيم.

1-5-1-1-1 لايه نشاني به روش MBE
يکي از روش هاي فيزيکي لايه نشاني که در تکنولوژي براي رشد لايه هاي نازک با خلوص بالا مورد استفاده قرار مي گيرد و در آن لايه به شکل تقريباً کريستالي بر روي زيرلايه رشد مي يابد، روش رشد باريکه مولکولي خالص (MBE) است. دراين روش، منابع عنصري از طريق حرارت دادن با نرخ کنترل شده، تبخير شده و سپس بر روي زير لايه با دماي مناسب تقطير مي شوند. اين عمل را تکنيک فوق خلاء18 UHV مي گويند. ويژگي اين روش اين است که در آن مي توان ساختار پوشش در حال توليد را به صورت تک بلور و يا لايه لايه کنترل کرد. به بيان ساده تر، با حرارت دادن سطح يک فلز( به عنوان منبع)، اتم ها يا خوشه هايي از اتم هاي آن در محيط خلا شروع به حرکت کرده و با نرخ آرام و دماي مناسب بر سطوح زير لايه مي نشينند و در رشد لايه شرکت مي کنند. در اين روش خلوص و دقت لايه نشاني از اهميت بالايي برخوردار است. شرايط خلاء بالا براي ايجاد خلوص بيشتر و پارامتر نرخ رشد پايين، براي دقت لايه نشاني بالا، نقش اساسي در مشخصات فيزيکي لايه هاي رشد داده شده با اين روش را دارند. گرچه اين اتفاق بسيار ساده و پيش پا افتاده به نظر مي رسد، اما براي دست يافتن به محصولي خالص با فصل مشترکي کنترل شده بايد از ابزاري بسيار پيشرفته استفاده کرد. براي اطمينان از خلوص لايه با اندازه کافي، وجود شرايط فوق خلاء (حدود 9-10 تور ) لازم است. استفاده از شرايط فوق خلاء داراي دو مزيت است، اولا اتم ها و مولکول ها به صورت خيلي خالص به سطح رشد مي رسند، ثانيا فرآيند رشد را مي توان با تکنيک هاي تشخيص و مشاهده در حالي که کريستال به صورت لايه اتمي رشد مي کند، تحت نظارت و کنترل درآورد. تکنيک MBE به عنوان يک فن آوري عالي جهت رشد کريستالي و براي توليد ساختارهاي پيچيده و متنوع و بويژه براي ساختارهاي چند لايه با مبناي GaAs شناخته شده است. اين روش ما را قادر مي سازد تا کنترل دقيقي بر صفحات لايه و نيم رخ آن داشته باشيم، البته اين روش بعلت استفاده از دستگاه فوق خلاء ، روش گران قيمتي است.
اگر چه فرآيند اصلي MBE از زمان هاي خيلي قبل انجام مي گرفته است، اما کار اصلي در اين زمينه در رشد ترکيبي نيمه رساناها شکل گرفت که آرتور و چو19 متولي آن بودند. آنها با استفاده از طيف نگار جرمي و تکنيک هاي آناليز سطحي، فرآيند رشد GaAs را در اندازه هاي اتمي بررسي کردند. به دنبال آنها چانگ 20 و ديگران اين فرآيند را به گونه اي توسعه دادند که امروزه سيستم MBE ناميده مي شود. بيشتر تحقيقات انجام گرفته با اين سيستم، بر روي عناصر گروه III و گروه V مانند(Ga,Al,In,As,Sb,P) و همچنين بر روي ژرمانيوم و سيليکن صورت مي گيرد.
مهم ترين تغيير که در سال هاي اخير در اين دستگاه صورت گرفت، بهبود در سيستم خلأ محفظه بود که تا 11-10 تور افزايش يافت، ولي درک صحيحي از MBE ريشه در آناليز سطحي و همچنين رشد لايه هاي خالص در سطح اتمي دارد. در اين حالت مسافت پويش آزاد گازها چندين مرتبه از فاصله نمونه تا زيرلايه (حدود20 سانتي متر) بيشتر است. واکنش ها به شکل خاص در روي سطح زيرلايه، جائي که پرتوهاي چشمه هاي مختلف در آن با هم ترکيب مي شوند، رخ مي دهد. محفظه از استيل ساخته شده که سطوح داخلي آن کاملاً پوليش شده تا جذب گازها و رطوبت توسط ديواره ها به حداقل برسد.
معمولاً کليه قسمت ها به گونه اي ساخته شده اند که ويفرها تحت خلأ فرازياد به راحتي قابل جابجايي باشند. اين سيستم شامل فرآيندهاي مختلفي مانند آناليز لايه، آماده سازي زيرلايه و فرآيند رشد است. همچنين سيستم مي تواند براي لايه نشاني فلزي (کندوپاش و يا تبخير حرارتي)، محفظه جداگانه اي داشته باشد. چون خلأ در حدود 11-10 تور بوده و به دليل اينکه زمان زيادي گاهاً چند روز لازم است تا شرايط فوق خلاء آماده شود، معمولاً سيستم تحت يک خلأ ثابت قرار مي گيرد و فقط فضاي محدودي از سيستم با هوا در تماس است. در بيشتر اين سيستم ها مي توان از محصول داخل محفظه خلأ، يک آناليز ساختاري و شيميايي نيز داشت. متناسب با نوع تکنيک هاي رشد و تعداد آناليزها از محفظه هاي مختلفي استفاده مي شود که غالباً به صورت جدا به پمپ هاي خلأ مخصوص خود متصل بوده و خلأ مورد نظر را ايجاد مي کنند. غالباً از يک محفظه کوچک به نام Load lock به عنوان محفظه اي جدا از محفظه رشد براي انتقال نمونه استفاده مي کنند.
چشمه هاي مختلفي با قدرت ايجاد شار با آهنگ هاي متفاوت وجود دارند که مي توانند در اين سيستم ها بکار روند. اين چشمه ها همگي به سمت زيرلايه اي که بوسيله يک هيتر گرم مي شود متمرکز شده اند تا تحرک پذيري بيشتري به سطح زيرلايه بدهند و در نتيجه يک تک لايه کريستالي تشکيل مي شود.
همان طور که گفته شد يکي از مزاياي سيستم هايMBE آناليز نمونه در داخل سيستم است. اين آناليزها ممکن است در محفظه اصلي و يا محفظه هاي جانبي آن انجام شوند.
از متداول ترين آناليزهاي مورد استفاده مي توان به طيف سنج الکترون هاي اوژه، طيف نگاري جرمي يون ثانويه(SIMS) و طيف سنجي فوتوالکترون اشعه ايکس (XPS) اشاره نمود.

شکل1-4 : نماي شماتيک از دستگاه MBE در زواياي مختلف
چند محفظه اي بودن اين سيستم ها امکان مانور بيشتري به اپراتور براي آناليزهاي مختلف و تنوع رشد مي دهد. يک محفظه Load-lock تا حدود 8-10 تور تخليه مي شود، در حالي که ديگر محفظه هاي خلأ، به خلأ بالاتر از 10-10×5 و 11-10×5 تور مي رسد.
در فرآيند رشد MBE ، کنترل درجه حرارت، شاترها، پرتوهاي مولکولي (اتمي) و آهنگ انباشت هر يک از چشمه ها که به سمت نمونه (تحت گرماي مناسب) هدايت مي شوند در رشد خالص لايه بسيار مهم است.
اينک فرآيند کلي رشد در يک سيستم MBE را بررسي مي كنيم:
1- آماده سازي ويفرها.
اين مرحله شامل تميزکاري و گاهي لکه برداري از روي ويفرها است.
2- قرار دادن ويفرها در داخل سيستم و تخليه محفظه هاي خلأ.
زيرلايه هاي مورد استفاده، ويفرهاي تک کريستالي هستند و قبل از انباشت، تميز مي شوند و معمولاً يک لايه اکسيدي براي محافظت در مقابل گازهاي هوا و مواد ويفر روي زيرلايه بکار مي رود.
3-ايجاد حرارت زير ويفرها.
حرارت بايد به گونه اي باشد که سطوح کاملاً تميز و خالص شوند. به عنوان مثال حرارت مورد نياز براي Ga، 550 -500 درجه سانتيگراد و براي سيليکن 900-700 درجه سانتي گراد در نظرگرفته مي شود.
4-شروع فرآيند لايه نشاني لايه، با خلأ خيلي بالا و توسط چند چشمه با آهنگ هاي بالاتر از يک ميکرون در ساعت.
5-انجام آناليزهاي مختلف بر روي لايه در حال رشد و يا لايه رشد يافته.
با توجه به اينکه خواص الکتريکي اين مواد مستقيماً به ساختار کريستالي لايه ها مربوط مي شوند، MBE بهترين انتخاب براي آنهاست. با توجه به فرآيند دقيق و اعمال خلأ بالا در سامانه هاي MBE ، کاربردهاي فراواني براي آن وجود دارد که از جمله مي توان به ساخت سلول هاي خورشيدي، ابررساناها، ليزرهاي نيمه هادي و ساخت LED اشاره نمود. ]3 [
1-5-1-2 کندوپاش
کندوپاش اولين بار در سال 1852 مورد استفاده قرار گرفت. در آن هنگام، شخصي به نام گرو با استفاده از تخليه الکتريکي توانست لايه فلز را روي کاتد سرد لايه نشاني کند. کندوپاش در ابتدا، عمدتاً براي لايه نشاني فلزات ديرگداز بکار مي رفت چرا که لايه نشاني آن ها با روش حرارتي ممکن نبود و به مرور با انجام تغييراتي، براي لايه نشاني مواد دي الکتريک نيز مورد استفاده قرار گرفت. يکي از اين تغييرات، استفاده از امواج داراي فرکانس راديويي بود که اجازه مي داد تا دي الکتريک ها بصورت مستقيم لايه نشاني شوند.
استفاده از امواج Rf از سال 1960 گسترش يافت و مايسل و ديويد21 در سال 1966،



قیمت: تومان


پاسخ دهید