روش لایه‌نشانی تبخیر حرارتی مبتنی بر مقاومت الکتریکی

۱- اساس کار لایه‌نشانی به روش تبخیر حرارتی

لایه‌نشانی به روش تبخیر حرارتی فرآیندی است که در محیط خلاء و به کمک اعمال جریان الکتریکی برای تبخیر ماده منبع صورت می‌گیرد و هدایت و انتقال ماده تبخیر شده به سمت زیرلایه بر اساس اختلاف فشار میان محلی که ماده منبع و زیرلایه قرار دارد، اتفاق می‌افتد. این روش لایه‌نشانی یکی از رایج‌ترین انواع لایه‌نشانی‌ها در ساخت لایه‌های نازک به شمار می‌رود. همان طور که در شکل(۱) نمایش داده شده است سه مرحله اصلی در هر فرایند لایه‌نشانی فیزیکی تحت شرایط خلا شامل (الف) تبخیر ماده منبع، (ب) انتقال بخار از منبع به زیرلایه و (ج) تشکیل لایه نازک روی زیرلایه است.

شکل ۱- طرح واره سه مرحله اصلی در هر فرایند لایه‌نشانی فیزیکی بخار (PVD)

در این روش، ماده منبع که به عنوان پوشش استفاده می‌شود (مانند یک قطعه فلز) در یک ظرف (بوته) که با نام قایقک یا فیلامان نیز شناخته می‌شود و از جنس فلزات مقاوم است، قرار می‌گیرد. با عبور جریان برق از قایقک یا بوته و داغ شدن ماده مورد نظر به عنوان ماده منبع و تبخیر آن در محیط خلاء، به دلیل اختلاف فشاری که بین محل بوته و محل زیرلایه وجود دارد، یک لایه بسیار نازک بر روی زیرلایه قرار می‌گیرد. این روش پیشتر در اوایل قرن بیستم به منظور ساخت آینه‌های فلزی از آلومینیوم یا نقره یا قطعات ماشین آلات مورد استفاده قرار می‌گرفت.

فرایندهای لایه‌نشانی باید تحت شرایط خلا انجام شوند زیرا برای تبخیر حرارتی دمای بسیار بالایی نیاز است و هر فلز واکنش‌پذیری، در دمای بالا در مجاورت اکسیژن، اکسید می‌شود. از طرف دیگر حضور و برخورد مولکول‌های سایر گازها در مسیر انتقال ماده تبخیر شده از منبع به زیرلایه موجب می‌شود که نرخ لایه‌نشانی کاهش یابد و مانع از تشکیل لایه‌های با چگالی بیشتر شود. درحالیکه در شرایط خلا تعداد مولکول‌ها کاهش می‌یابند و میزان برخورد مولکول‌های ماده منبع با مولکول‌های موجود در محفظه، کاهش می‌یابد.

در روش تبخیرحرارتی، ماده منبع حرارت داده می‌شود تا ماده به صورت بخار درآید، هنگامی که اتم‌ها، مولکول‌ها و خوشه‌هایی از مولکول‌ها که در فاز بخار هستند به زیرلایه می‌رسند، چگالیده می‌شوند و از حالت بخار به حالت جامد تغییر فاز می‌دهند. گرمای چگالش به وسیله زیرلایه جذب می‌شود. از دیدگاه میکروسکوپی گرمایی که از این فرایند به دست می‌آید می تواند بسیار زیاد باشد، به طوری که اگر زیرلایه پلاستیکی باشد یا دمای ذوب آن پایین باشد، هنگام پوشش دهی و در حین لایه‌نشانی می تواند ذوب شود. با انجام آزمایش های مختلف و تنظیم فاصله مناسب بین منبع و زیرلایه می توان گرمای ایجاد شده را کنترل کرد تا مانع از ذوب شدن زیرلایه شد.

در این روش ولتاژ پایین و جریان بالا (به عنوان مثال ۱۰ تا ۴۰ ولت به صورت DC و جریان الکتریکی برابر با ۱ تا ۱۰ آمپر) به محفظه خلا اعمال می‌شود. توان الکتریکی از فیلامان یا قایقک عبور داده می‌شود که در تماس با ماده منبع است. فیلامان یا قایقک معمولا از ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود. برای تبخیر حرارتی موثر بایستی فشار بخار ماده منبع در دمایی که به فیلامان یا قایقک اعمال می‌شود، مقدار قابل قبولی باشد.

شکل (۲) طرح واره محفظه‌ای را که برای ایجاد لایه‌های نازک به روش تبخیر حرارتی با استفاده از مقاومت الکتریکی استفاده می‌شود، نشان می‌دهد. تبخیر حرارتی معمولا در شرایط خلا بالا (فشار بین ^۳-۱۰ تا ^۹-۱۰ میلی بار) و حتی خلا بسیار بالا (فشار بین ^۹-۱۰ تا ^۱۲-۱۰ میلی بار) انجام می‌شود. محفظه‌هایی که برای این منظور به کار گرفته می‌شوند "بل جار" نام دارند که امکان طراحی‌های گوناگونی را فراهم می‌آورند و با آنها می‌توان فرایند تبخیر را با صرف هزینه کم مشاهده کرد.

فیلامان‌ها یا قایقک‌هایی که برای قرار دادن ماده منبع استفاده می‌شوند معمولا از جنس تنگستن، مولیبدن، تانتالیوم، برونیترید و سرامیک و یا آلیاژهایی از این نوع مواد است. فیلامان‌ها بایستی نقطه ذوب بالا داشته باشد و قابلیت حل آن در ماده منبع پایین باشد تا با ماده منبع آلیاژ تشکیل ندهند. همچنین در برابر شوک‌های حرارتی مقاوم باشد و ماده منبع بتواند آن را مرطوب کند. علاوه بر این فیلامان‌ها بایستی در برابر گازهای موجود در محیط غیرفعال باشند. فیلامان‌ها در شکل‌های مختلفی مانند ورق و سیم‌های پیچیده شده که در شکل (۳) مشاهده می‌شوند، ساخته می‌شوند.

شکل ۲- طرح واره لایه محفظه خلا برای ساخت لایه نازک به روش تبخیر حرارتی

شکل ۳- فیلامان‌ها و بوته‌های گوناگونی که در لایه‌نشانی به روش تبخیر حرارتی به کار گرفته می‌شوند.

۲- ویژگی‌های لایه نازک تشکیل شده به روش تبخیر حرارتی

ماده تبخیر شده در هنگام رسیدن به زیرلایه، روی زیرلایه انباشته می‌شود. مراحل تشکیل لایه روی زیرلایه شامل هسته زایی و رشد است که ویژگی‌های فیزیکی لایه نشانده شده بر اساس پارامترهای مختلفی که در هسته زایی و رشد موثرند، توضیح داده می‌شود. در مرحله هسته زایی اتم‌ها و مولکول‌هایی که به سطح زیرلایه می‌رسند انرژی گرمایی خود را که ناشی از حرکت جنبشی آن است روی سطح مصرف می‌کنند و در واقع آن را به سطح منتقل می‌کنند. هنگامی که این انرژی به طور کامل از بین رفت مولکول‌ها به زیرلایه می‌چسبند و هسته تشکیل می‌شود. با ادامه یافتن تشکیل این هسته‌ها، لایه‌هایی به صورت ورقه‌های پیوسته شکل می‌گیرد و سرانجام زیرلایه را می‌پوشانند و به این ترتیب در حین رشدِ لایه ریزساختار، لایه نشانده شده گسترش می‌یابد. این ریزساختار از نظر اندازه ذره‌ها، جهت‌گیری آنها، تخلخل، ناخالصی‌های موجود و گازهای به دام افتاده مورد توجه‌اند.

 برهمکنش‌های شیمیایی میان اتم‌ها و سطح، قدرت پیوند میان لایه و زیرلایه را معین می‌کند. برای مثال طلا یک پیوند شیمیایی با دی‌اکسید سیلیکون (به عنوان زیرلایه) تشکیل نمی‌دهد، زیرا چسبندگی لایه‌های طلا روی شیشه بسیار ضعیف است. برای بهبود بخشیدن چسبندگی طلا به شیشه (دی‌اکسید سیلیکون) می‌توان یک لایه نازک پیوند دهنده ۵۰۰ آنگسترومی مثلا از جنس کروم یا نئوبیوم روی شیشه نشاند و سپس لایه‌نشانی طلا را انجام داد.

اصولا در فرایندهای لایه‌نشانی تحت خلا، خلوص شیمیایی بالا، چسبندگی خوب میان لایه نازک و زیرلایه، کنترل تنش مکانیکی لایه، ساخت لایه‌های بسیار نازک و چند لایه‌هایی از مواد مختلف و همچنین کمترین میزان به دام افتادگی گاز حاصل می‌شود.

انرژی جنبشی اتم‌های فرودی، دمای زیرلایه، نرخ لایه‌نشانی، انرژی که در هنگام رشد لایه به آن اعمال می‌شود و حضور و اثر شارش گازها در هنگام انتقال ماده تبخیر شده از منبع به زیرلایه، پارامترهایی هستند که بر ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی لایه نازک مورد نظر موثرند و با تغییر و کنترل آنها می‌توان خواص لایه نازک را تغییر داد.

با استفاده از تبخیر حرارتی می‌توان پوشش‌های ظریف با ضخامت یکنواخت و سختی مناسب را روی گستره‌ای از زیرلایه‌ها با جنس‌های متفاوت از فولاد تا انواع پلاستیک ایجادکرد. پوشش‌هایی که با روش تبخیر حرارتی ساخته می‌شوند را در گستره‌ای از دماهای مختلف از دمای اتاق تا دمای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌توان روی قطعات گوناگون قرار داد.

از روش تبخیر حرارتی مبتنی بر مقاومت الکتریکی برای ساخت لایه‌های نازک رسانای الکتریسیته، رساناهای شفاف (لایه بسیار نازکی که نور می‌تواند از آن بگذرد)، لایه‌های نازک عایق الکتریکی، لایه‌های نوری، لایه‌های نازک کنترل کننده حرارت، در صنعت بسته‌بندی، دکوراسیون و پوشش‌های تزئینی، لایه‌های نازک سخت و مقاوم، ادوات ضبط مغناطیسی و پوشش‌های ضدخوردگی استفاده می‌شود.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۳- منابع

[1]. Milton Ohering, “Materials Science of Thin Films, Deposition and Structure”, 2nd Edition, New York, Academic Press (2002).