لایه‌نشانی تبخیری با باریکه الکترونی

۱- مقدمه

یکی از روش‌های لایه‌نشانی، تبخیر باریکه الکترونی^[۱] است که جز روش‌های لایه‌نشانی فیزیکی بخار (PVD) محسوب می‌شود. از آن جایی که در فرایند لایه‌نشانی مبتنی بر تبخیر حرارتی گرمای بسیار بالایی برای انجام تبخیر نیاز است در صورت حضور گاز اکسیژن، چنانچه فلز تبخیر شده واکنش‌پذیر باشد اکسید فلزی تشکیل شود. از طرفی حضور مولکول‌های هوا در مسیری که ماده تبخیر شده از منبع به سمت زیرلایه حرکت می‌کند، نرخ لایه‌نشانی را کاهش می‌دهد و مانع از تشکیل لایه با چگالی بالا می‌شود. بنابراین بایستی لایه‌نشانی در محیط خلا که تعداد مولکول‌ها کاهش یافته‌اند و تعداد برخوردها کمتر است انجام شود. بنابراین؛ این روش معمولا در شرایط خلا بسیار بالا ( ^۹-۱۰ تا ^۱۲-۱۰ تور) قابل انجام است.

شکل ۱ طرح واره‌ای از دستگاه لایه‌نشانی باریکه الکترونی را نشان می‌دهد. در فرایند تبخیر حرارتی با استفاده از باریکه الکترونی، باریکه‌ای از الکترون‌های پرانرژی از فیلامان (رشته داغ) به سمت ماده منبع گسیل می‌شود و به این ترتیب انرژی مورد نیاز برای تبخیر ماده منبع تامین می‌گردد. این سیستم شامل یک آند و یک کاتد است آند به طور مثبت بایاس شده است و کاتد به زمین متصل است و یا نسبت به آند دارای بایاس منفی است. الکترون‌های گسیل شده از فیلامان (معمولا فیلامان از جنس تنگستن است) با اعمال ولتاژ بایاس ۱۰ تا ۴۰ کیلوولت DC به سمت ماده منبع هدایت می‌شوند.

شکل ۱- طرح واره‌ای از دستگاه لایه‌نشانی تبخیری به کمک باریکه الکترونی

۲- فرایند تبخیر باریکه الکترونی

در اثر حرارتی که به ماده منبع منتقل می‌شود بخار بسیاری از ماده آزاد شود که به دلیل اختلاف فشار به سمت زیرلایه حرکت می‌کند. با رسیدن اتم‌ها و مولکول‌های موجود در فاز بخار به زیرلایه چگالش صورت می‌گیرد و با جذب گرما به وسیله زیرلایه، ماده منبع از حالت بخار به جامد، تغییر فاز می‌دهد. گرمای تولید شده می‌تواند به قدری زیاد باشد که منجر به ذوب شدن زیرلایه شود که با تنظیم فاصله میان منبع و زیرلایه می‌توان مانع از این اتفاق شد. در این روش نیز مانند سایر روش‌های تبخیر حرارتی انتخاب بوته‌های سرامیکی از اهمیت بالایی برخوردار است تا ماده منبع با بوته واکنش ندهد. بوته معمولا از جنس مس یا گرافیت است که هدایت حرارتی مناسبی دارند و به وسیله آب خنک می‌شود.

از آنجایی که برای لایه‌نشانی، از تبخیر ماده به وسیله باریکه الکترونی استفاده می‌شود، این روش یک فرآیند گرمایی به شمار می‌آید و معمولا مناسب لایه‌نشانی اکسیدهای فلزی است که نقطه ذوب بالایی دارند. با این روش می‌توان فلزاتی مانند آلومینیوم، پالادیوم، تیتانیم، طلا، ژرمانیوم، نیکل، کرم و پلاتین را نیز لایه‌نشانی کرد که برای لایه‌نشانی هر یک از این مواد بایستی از بوته مناسب استفاده شود. بعضی از ترکیباتِ کاربید مانند تیتانیم کاربید و زیرکونیوم کاربید را بدون این که در فاز بخار تجزیه شوند، می‌توان با روش تبخیر باریکه الکترونی لایه‌نشانی کرد. بعضی از مواد مانند آلومینا (Al₂O₃) تحت تاثیر باریکه الکترونی به آلومینیوم، AlO₃ و Al₂O تجزیه می‌شود و استوکیومتری ماده موجود در منبع و لایه متفاوت می‌شود.

 یکی از روش‌ها برای تولید اکسیدهای فلزی با استفاده از تبخیر باریکه الکترونی تبخیر واکنشی است. در این روش، فلز در داخل بوته تبخیر می‌شود و اکسیژن به داخل محفظه وارد می‌شود و بخار فلز در مجاورت زیرلایه با اکسیژن واکنش می‌دهد و اکسید فلزی روی سطح تشکیل می‌شود. این کار برای لایه‌های کاربید فلزی با استفاده از استیلن قابل انجام است. همچنین برای تشکیل لایه‌های کاربید فلزی می‌توان از دو بوته مجزا که یکی حاوی فلز و دیگری حاوی کربن است، استفاده کرد. در آن با رسیدن بخار این دو منبع به زیرلایه به طور شیمیایی و تحت شرایط ترمودینامیک مناسب با یکدیگر ترکیب می‌شوند و کاربید فلزی تشکیل می‌شود.

۳- مزایا و معایب روش تبخیر باریکه الکترونی

با استفاد از این روش می‌توان لایه‌ها را با نرخ‌های متفاوت پوشش‌دهی از ۱ نانومتر در هر دقیقه تا چندین میکرومتر در هر دقیقه انجام داد. کنترل ساختار و مورفولوژی (ریخت شناسی) پوشش‌ها در مقایسه با سایر روش‌های لایه‌نشانی بیشتر است. این روش لایه‌نشانی در صنایع مختلف صنعتی مانند پوشش‌های نوری و الکترونیکی و پوشش‌های حرارتی و مکانیکی در هوا و فضا کاربرد گسترده دارد. از آنجایی که این روش لایه‌نشانی در فشارهای تقریبا کمتر از ^۴-۱۰ تور انجام می‌شود لایه‌نشانی بخش‌های داخلی زیرلایه‌هایی که هندسه پیچیده‌ای دارند دشوار است. یکی دیگر از معایب این روشِ لایه‌نشانی این است که با توجه به این که فیلامان‌ها عمر مشخصی دارند به مرور زمان با تخریب فیلامان، نرخ تبخیر، یکنواخت نخواهد بود و بایستی فیلامان تعویض شود.

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

۴- منبع

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

۵- پاورقی

[1] Electron Beam Evaporation