دانشکده علوم پایه
پایان نامه دوره کارشناسی ارشد در رشته فیزیک حالت جامد
موضوع:
مطالعه فرآیند رشد نانولایه های نازک به وسیله مدل باریکه مولکولی
خالصMBE
استاد راهنما:
دکتر ابراهیم دریایی
دانشجو:
معصومه ترابی
اسفند ماه 1393
سپاسگزاری
شکر خدا، که هر چه طلب کردم از خدا بر منتهای همت خود کامران شدم.
سپاسگزار کسانی هستم که سرآغاز تولد من هستند.از یکی زاده میشوم و از دیگری جاودانه. استادی که سپیدی را بر تخته سیاه زندگیم نگاشت و مادری که تار مویی از او بپای من سیاه نماند.
از آنجایی که تجلیل از مقام پرمنزلت معلم، سپاس از انسانی است که هدف و غایت آفرینش را تامین می کند و سلامت امانت هایی را که به دستش سپرده اند تضمین، به مصداق «من لم یشکر المخلوق لم یشکر الخالق » بسی شایسته است که کمال تشکر و قدردانی را از کسانی که در این مسیر یاریگر من بودند بنمایم:
با تشکر از استاد گرانقدر و فرهیخته؛ جناب آقای دکتر دریایی که در کمال سعه صدر، با حسن خلق و فروتنی، از هیچ کمکی در این عرصه بر من دریغ ننمودند و زحمت راهنمایی این پایان نامه را بر عهده گرفتند؛
با امتنان بی کران از مساعدت های بی شائبه ی اساتید عالی مقام جناب آقای دکتر سخایی ریاست محترم دانشگاه و جناب آقای دکتر وجدانی مدیریت محترم گروه فیزیک؛
با سپاس از اساتید فرزانه جناب آقای دکتر رمضانپور و جناب آقای دکتر صابریان که زحمت داوری این اثر را متقبل شدند؛
با تقدیر فراوان خدمت پدر و مادر بسیار عزیز ، دلسوز و فداکارم که پیوسته جرعه نوش جام تعیلم و تربیت ، فضیلت و انسانیت آنها بوده ام.
و سپاس بی منتها از همسرم که در سایه ی همدلی و همراهی او به این مقصود رسیدم.
باشد که این خردترین، بخشی از زحمات آنان را سپاس گوید.
تقدیم
ماحصل آموخته هایم را در نهایت احترام تقدیم می کنم به پدر و مادر عزیزم
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 ای از دریای بی کران مهربانیتان را سپاس نتوانم بگویم.
باشد که حاصل تلاشم غبار خستگیتان را بزداید.
بوسه بر دستان پرمهرتان.
و تقدیم به همسفر مهربان زندگیم، همسرم
به پاس قدر دانی از قلبی آکنده از عشق و معرفت
که با محبت های بی دریغش آرامش را به من هدیه داد.
چکیده
امروزه بررسی سطوح مواد به عنوان محل برهمکنش جامد با بیرون، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. توپوگرافی و شکل سطوح نیز می تواند بر عملکرد فیزیکی و کاربرد آنها تاثیر بگذارد، بنابراین بررسی سطوح از لحاظ تجربی و نظری اهمیت زیادی دارد با گام برداشتن به سمت نانو ساختار ها، اهمیت علم لایه های نازک در میان سایر علوم رشد قابل ملاحظه ای داشته است. لایه های نازک، به دلیل نازک بودن و در نتیجه ظهور خواص کوانتومی و همچنین بزرگی نسبت سطح به حجم بسیار حائز اهمیت هستند. تولید مواد با خلوص بالا یکی از نکات مهم در ساخت لایه های نازک است. تکنیک MBE یکی از روش های مورد توجه، جهت تولید مواد با خلوص بالا است.
در این پایان نامه با بهره گیری از نرم افزار برنامه نویسی Matlab مدل های مختلف لایه نشانی شبیه سازی شده و یک مدل جدید برای لایه نشانی به روش MBE ارائه داده شده و تغییرات لگاریتمی زبری بر حسب زمان مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده شد که فرآیند رشد در دو مرحله انجام می شود و از دو تئوری مختلف پیروی می کند. ابتدا تئوری خطی MBE و سپس معادله ادوارد-ویلکینسون برقرار است. همچنین در این مدل، تاثیرات دما و سرعت لایه نشانی بر فرآیند رشد سطح مورد بررسی قرار گرفت و مشاهده شد که با اعمال این تغییرات، شیب نمودار در دو قسمت ثابت باقی می ماند و فقط مدت زمانی که طول می کشد تا فرآیند رشد از یک مدل به مدل دیگری وارد شود متفاوت است.
واژه های کلیدی:
رشد سطوح، زبری نانوساختار، لایه نازک، باریکه مولکولی، طول همبستگی
فهرست مطالب
عنوان صفحه
مقدمه…1
فصل اول: مفاهیم لایه نازک و رشد سطح2
1-1 مفاهیم لایه نازک2
1- 2 تاریخچه لایه نازک3
1-3 خواص لایه نازک4
1-3-1 خواص مکانیکی5
1-3-2 خواص الکتریکی6
1-3-3 خواص مغناطیسی8
1-3-4 خواص نوری10
1-3-5 خواص شیمیایی11
1-3-6 خواص حرارتی11
1- 4 اهمیت و کاربرد لایه نازک11
1-5 روشهای ساخت لایه نازک12
1-5-1 روشهای فیزیکی13
1-5-1-1 روشهای تبخیری14
1-5-1-1-1 لایه نشانی به روش MBE15
1-5-1-2 کندوپاش19
1-5-2روشهای شیمیایی22
1-5-2-1 انباشت شیمیایی بخار (CVD)22
1-5-2-2 آبکاری الکتریکی24
1-5-2-3 سل- ژل24
فصل دوم: مفاهیم رشد و بررسی مدل های پیوسته و گسسته26
2-1 مدل لایه نشانی تصادفی26
2-2 مدل لایه نشانی بالستیک27
2-3 مدل لایه نشانی تصادفی همراه با نرم سازی28
2-4 همبستگی در طول فرآیند رشد29
2-5تعاریف متداول در رشد سطح30
2-5-1 ناهمواری30
2-5-2 رابطه مقیاس33
2 – 6 فرکتال34
2-6-1 تاریخچه و معرفی فرکتال34
2-6-2 انواع فرکتال36
2-6-2-1 فرکتال همسانگرد36
2-6-2-2 فرکتال ناهمسانگرد39
2- 7 معادله ضمنی رشد40
2- 8 اصول تشابه41
2-9 معادله کلی رشد43
2-9-1 معادله RD44
2-9-2 معادله ادوارد-ویلکینسون44
2-9-2-1 حل معادله ادوارد-ویلکینسون46
2-9-3 معادله کاردر-پاریزی و ژنگ49
2-10 فرآیند های دخیل در رشد تجربی سطح51
2-10-1 نشست بر روی سطح52
2-10-2 جذب شدگی52
2-10-3 انتشار بر روی سطح52
2-11 تئوری مدل MBE53
2-11-1 تئوری خطی مدل MBE53
2-11-1-1 حل معادله رشد خطی همراه با پیشروی MBE55
2-11-2 تئوری غیر خطی مدل MBE56
فصل سوم: شبیه سازی مدل های مختلف رشد سطح59
3- 1 الگوریتم لایه نشانی به روش RD59
3-2 الگوریتم لایه نشانی به روش BD61
3-3 الگوریتم لایه نشانی به روش RDSR65
3-4 مدل های لایه نشانی MBE68
3-4-1 مدل داس سرما و تامبورنی69
3-4-1-1 الگوریتم مدل داس سرما و تامبورنی71
3-4-2 مدل جدید ارائه شده73
3-4-2-1 الگوریتم مدل جدید74
3-4-2-2 بررسی تغییرات نرخ نشست ذرات بر روی سطح76
3-4-2-3 بررسی تغییرات دما78
نتیجه گیری و جمع بندی79
منابع و مأخذ81
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1: نمای شماتیک یک لایه نازک3
شکل 1-2 : نمودار تعیین میزان انرژی تبادلی9
شکل 1-3 : نمودار روش های ساخت لایه نازک13
شکل1-4 : نمای شماتیک از دستگاه MBE در زوایای مختلف18
شکل 1-5: طرح واره سیستم کندوپاش 22
شکل2-1: تصویرشماتیک مدل لایه نشانی تصادفی26
شکل 2-2 : تصویر شماتیک مدل لایه نشانی به روش بالستیک27
شکل 2-3 : تصویر شماتیک مدل لایه نشانی تصادفی همراه با نرم سازی29
شکل 2-4 : نمودار تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک در مدل لایه نشانی بالستیک برای 200L=31
شکل 2-5 : نمودار تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک برای چندین سیستم32
شکل 2-6 : تصویری شماتیک از بازسنجی پهنای فصل مشترک نسبت به زمان (تغییرات تابع g(u))34
شکل 2-7 : طرح شماتیک ساخت فرکتال دانه برفی کخ37
شکل 2-8 : مثلث های سرپینسکی38
شکل 2-9 : تغییر مقیاس همسانگرد و ناهمسانگرد برای یک فرکتال ساده …………………………………………………..40
شکل 2-10 : تاثیر عامل 〖ν∇〗^2 h بر روی سطح در حال رشدh46
شکل 2-11 : تاثیر عامل λ(〖∇h)〗^(2 ) بر روی سطح در حال رشد h50
شکل 2-12 : طرح شماتیکی از فرآیند های مقدماتی بر روی سطح51
شکل 2-13 : تاثیر عامل ν_1 ∇^4 h بر روی سطح در حال رشد h55
شکل 2-14 : تاثیر عامل λ_1 ∇^2 (〖∇h)〗^(2 ) بر روی سطح در حال رشد h57
شکل 31 : نمودار تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک برای لایه نشانی به روش RD برای یک نمونه60
شکل 3-2: نمودار تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک برای لایه نشانی به روش RD برای چندین نمونه60
شکل 3-3: نمودار تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک برای لایه نشانی به روش BD……………………………………..62
شکل3-4: نمودار تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک برای لایه نشانی به روش BD برای سیستم های مختلف63
شکل 3-5: نمودار جابجایی منحنی های رسم شده به روش لایه نشانی BD در راستای عمودی64
شکل 3-6: نمودار انطباق منحنی های تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک برای لایه نشانی به روش BD.65
شکل 3-7: نمودار تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک برای لایه نشانی به روش RDSR. ……………………………….67
شکل 3-8: نمودار انطباق منحنی های تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک برای لایه نشانی به روش RDSR 67
شکل3-9: مکانیزم نرم سازی مدل ولف و ویلیان68
شکل 3-10:مکانیزم نرم سازی مدل داس سرما و تامبورنی68
شکل 3-11:نمودار تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک برای لایه نشانی با مدل داس سرما و تامبورنی 71
شکل 3-12: نمودار انطباق منحنی های تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک در لایه نشانی با مدل داس سرما و تامبورنی.73
شکل3-13:نمودار تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک با مدل جدید ارائه شده برای سیستم های مختلف………………..75
شکل3-14: نمودارانطباق منحنی های تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک برای لایه نشانی با مدل جدید ارائه شده76
شکل3-15: نمودارانطباق منحنی های تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک در لایه نشانی با مدل جدید ارائه شده به ازای تغییرات نرخ نشست ذرات..77
شکل3-16: نمودارانطباق منحنی های تغییرات زمانی پهنای فصل مشترک در مقیاس لگاریتمی در لایه نشانی با مدل جدید ارائه شده به ازای تغییرات دما78
مقدمه
مطالعه بر روی خواص هندسی سطوح در حال رشد یکی از مهم ترین دغدغه های فیزیک آماری غیرتعادلی محسوب می شود. این موضوع نه تنها به دلیل چالش برای فیزیکدانان نظری به منظور مدل کردن فرآیند رشد سطح، بلکه از لحاظ تجربی به منظور شکل دهی به سطوح از اهمیت ویژه ای برخوردار است. امروزه زبری سطوح در بسیاری از فناوری های نوین مورد توجه وسیعی قرار گرفته است. زبری سطح اثر بسیار مهمی در بسیاری از پدیده های فیزیکی همچون چسبندگی ،اصطکاک ،آبدوستی ،آب گریزی و خودتمیزکنندگی سطوح دارد. با توجه به اهمیت نانوتکنولوژی، لایه های نازک از دو ویژگی مهم برخوردار هستند. اولین ویژگی، ضخامت زیرمیکرونی این لایه ها است که به دلیل محدودیت کوانتومی، هر چه به اندازه نانو نزدیک تر شوند، ویژگی های متفاوت‌ تری را برای لایه به وجود می آورند و دومین ویژگی، آن است که لایه ها می توانند سطوح فوق العاده بزرگی نسبت به ضخامت خود داشته باشند.
یکی ازروش های لایه نشانی به روش تبخیری که در تکنولوژی برای رشد لایه های نازک با خلوص بالا مورد استفاده قرار می گیرد، روش باریکه مولکولی خالص (MBE) است. در این روش شرایط خلاء بالا برای ایجاد خلوص بیشتر و پارامتر نرخ رشد پایین، برای دقت لایه نشانی بالا، نقش اساسی در مشخصات فیزیکی لایه های رشد داده شده با این روش را دارند.
مطالب در این پایان نامه در سه فصل جمعآوری شده است. در فصل اول به مروری بر روش های مختلف لایه نشانی پرداخته ایم. در فصل دوم کلاس های مختلف رشد سطح را معرفی کرده و تئوری های خطی و غیر خطی MBE را مورد بررسی قرار داده ایم. در فصل سوم شبیه سازی مدل های مختلف رشد سطح انجام شده و در پایان یک جمع بندی از نتایج حاصل ارائه شده است.

فصل اول: مفاهیم لایه نازک و رشد سطح
1-1 مفاهیم لایه نازک
معمولا در فیزیک حالت جامد، مواد را به صورت توده ای مورد بررسی قرار می دهند. در عموم روش های لایه نشانی، هنگامی که مواد از حالت توده ای به صورت اتم ها، ملکول ها یا یون های مجزا درآیند و روی سطح زیرلایه1 بنشینند، پوششی ایجاد می شود که آنرا لایه می نامند.
اصولاً لایه ها و پوشش های مختلف از نقطه نظر ضخامت به سه گروه تقسیم می شوند که عبارتند از :
1-لایه های بسیار نازک با ضخامت کمتر از 50 آنگستروم
2-لایه های نازک با ضخامت بین 50 تا 5000 آنگستروم
3-لایه های ضخیم با ضخامت بیش از 5000 آنگستروم
طبق تعاریف بالا، لایه های نازک لایه هایی هستند که ضخامت آنها بین50 تا5000 آنگستروم باشد. به بیان دیگر لایه های نازک ، پوشش های نانومتری با دقت اتمی طراحی شده ای از انواع مواد اعم از فلزات، عایق ها و نیمه رساناها هستند. به طور معمول ساختمان لایه های نازک متشکل از یک لایه و یک زیر لایه است، که این لایه نازک توسط روش های مختلف لایه نشانی بر روی سطح نشانده می شود. مجموع سیستم ( لایه و زیر لایه ) باعث ایجاد خواص جدیدی می شود که با خواص همان لایه به صورت توده ای متفاوت است و خصوصیات سطحی زیر لایه را ارتقاء می‌بخشد. شکل (1-1) ساختار شماتیک لایه و زیرلایه را نشان می‌دهد .]1[
شکل 1-1: نمای شماتیک یک لایه نازک
همچنین کاربرد عمده این لایه های نازک در اصلاح خواص سطح جامدات است. لایه های نازک و بسیار نازک، از دو ویژگی مهم برخوردار هستند. اولین ویژگی، ضخامت زیرمیکرونی این لایه ها است که به دلیل محدودیت کوانتومی، هر چه به اندازه نانو نزدیک تر شوند، ویژگی های متفاوت‌ تری را برای لایه به وجود می آورند و دومین ویژگی آن است که لایه ها می توانند سطوح فوق العاده بزرگی نسبت به ضخامت خود داشته باشند، به بیان دیگر افزایش نسبت سطح به حجم را دارا هستند. این دو ویژگی بر اهمیت چشمگیر این لایه ها می افزایند.]1-2[
1- 2 تاریخچه لایه نازک
تکنولوژی لایه های نازک یکی از قدیمی ترین هنرها و در عین حال یکی از جدید ترین علوم به شمار می رود. تاریخچه استفاده از لایه های نازک بخصوص لایه های نازک فلزی، به عهد باستان و در حدود ۳۴۰۰ سال پیش برمی گردد. طلاکاری و اکلیل زدن، نمونه های بارزی از این هنرها در دوران گذشته می باشد. لایه های نازک فلزات گرانبها بر روی شیشه ها و سرامیک های تزیینی از صد ها سال پیش مورد استفاده بوده است. پیش از قرن هفدهم با کشیدن نمک نقره بر روی شیشه های دارویی کوچک و حرارت دادن آن، نمک را به فلز نقره تبدیل می کردند. روش دیگر بسیار قدیمی، شکل دادن لایه نازک طلا با ضربه بر روی آن بود، به طوریکه ضخامت لایه به 4 تا 5 میلیونیوم اینچ می رسید. اما اولین لایه نازک مدرن در سال 1838 به روش الکترولیز به دست آمد. بونسن و گروو2 توانستند لایه نازک فلزی را به ترتیب با روش واکنش شیمیایی3 و پراکنش تخلیه نورانی4 بدست آورند. فارادی در سال 1857 با استفاده از تبخیر حرارتی5 لایه نازک فلزی را بدست آورد.
در قرن 19 میلادی لایه نازک مایع از دیدگاه اپتیکی بسیار مورد توجه بوده و رفته رفته با پیشرفت تکنولوژی، در قرن 20 میلادی تولید لایه نازک جامد رشد پیدا کرد. در اوایل قرن 20 میلادی، با رشد تکنولوژی میکروالکترونیک، ساخت لایه های نازک تر از 1میکرومتر(زیرمیکرونی) اهمیت ویژه ای بدست آورد و در اواخر قرن 20 با ظهور مباحث نانومتری، تولید لایه های نازک نانومتری (زیر 100نانومتر) پیشرفت چشمگیری یافت. امروزه تکنولوژی ساخت لایه های نازک بسیار گسترش یافته و به سمت فناوری نانو سوق داده شده است .]2-3-4[
1-3 خواص لایه نازک
خواص لایه های نازک نظیر خواص مکانیکی، نوری، الکتریکی و … به پارامترهای زیادی وابسته است که این پارامترها مربوط به روش تولید و کیفیت و نوع ماده ی زیر لایه خواهند بود. از جمله این پارامترها می توان به، میزان خلا، سرعت لایه نشانی، دمای زیرلایه، جریان گاز عبوری حین فرایند رشد و خلوص مواد پوشش اشاره کرد.]1[
در مورد سطح مشترک لایه و زیرلایه، بایستی دقت نمود که مرز مشترک آن عاری از هرگونه آلودگی و ناخالصی باشد و ناصافی آن به حداقل ممکن برسد تا اتصال در سطح مشترک به خوبی صورت بگیرد. در مورد ساختار نیز، نظم اتمی لایه و زیرلایه می تواند نقش مهمی در ویژگی های لایه نازک داشته باشد. همچنین خواص شیمیایی به دلیل ایجاد واکنش شیمیایی که ممکن است بین اتم های لایه و زیرلایه انجام شود، باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد. در حیطه خواص حرارتی، نزدیکی ضریب انبساط حرارتی لایه و زیرلایه موضوع حائز اهمیتی است تا لایه ایجاد شده بر روی زیرلایه چروکیده یا پاره نشود و در برابر شوک های حرارتی مقاوم باشد. همچنین در مورد خاصیت مکانیکی، لایه و زیرلایه بایستی از استقامت مکانیکی خوبی برخوردار باشند.]2[
در ادامه به تفصیل به بررسی خواص لایه های نازک می پردازیم.
1-3-1 خواص مکانیکی
یکی از خواص مهم لایه های نازک خواص مکانیکی است. روش های مختلف ساخت لایه های نازک، باعث ایجاد عیوبی از جمله نابجایی ها در این لایه ها می شوند و چون این عیوب قابلیت حرکت ندارند، در جای خود قفل می شوند. غلظت بالای نابجایی ها و عدم تحرک آنها سبب افزایش خواص مکانیکی نظیر سختی و مقاومت به سایش آنها می شود، که قابل مقایسه با حالت توده ای شکل ماده نیست.
رفتار مکانیکی لایه های نازک مانند استحکام و چسبندگی آن ها سهم بسزایی در کارایی لایه های نازک دارد. عوامل موثر بر خواص مکانیکی شامل اندازه و شکل دانه های تشکیل شده درون لایه ها، حضور تهی جاها، نا بجایی ها و … می باشد. در لایه های نازک دو نوع تنش رخ می دهد، تنش های گرمایی و تنش های ذاتی. از آنجا که معمولا بیشتر روش های لایه نشانی در دمای بالاتر از دمای محیط انجام می شوند )نظیر روش های تبخیر فیزیکی و شیمیایی) غلظت نابجایی ها افزایش می یابد و از طرفی چون مواد مختلف، ضرایب انبساط گرمایی متفاوتی دارند به دنبال آن مقداری تنش حرارتی در لایه نازک ایجاد می شود که تابع اختلاف دمای لایه نشانی و دمای کاربردی لایه نازک است. تنش ذاتی یا داخلی به عواملی همچون فرایندهای رشد غیر تعادلی بستگی دارد و موجب تشکیل ساختار های غیر تعادلی می شود.
از دیگر خواص مکانیکی لایه های نازک، استقامت کششی آن ها است. به طور کلی استقامت کششی لایه، تابع ضخامت آن است و همچنین تشکیل لایه اکسیدی بر روی آن می تواند سبب افزایش این استقامت شود.]2-3-4[
1-3-2 خواص الکتریکی
بررسی خواص الکتریکی مواد، عمدتا براساس نظریه نواری صورت می گیرد، که در آن ترازهای انرژی الکترونی و چگالی حالت ها، فلز یا نیم رسانا و یا عایق بودن ماده را تعیین می کنند. این ترازهای انرژی در توده مواد و در سطح مربوط به لایه های نازک با یکدیگر متفاوتند، به این صورت که برخی از ترازهای انرژی ممنوعه در حالت توده مواد، تبدیل به ترازهای گسسته مجاز می شوند و همچنین در فصل مشترکی که دو سطح با یکدیگر برهم کنش دارند،‌ ترازهای انرژی دیگری تحت تاثیر قرار می گیرند. کاربرد این مباحث در اتصالات بین قسمت های مختلف مدارهای مجتمع، وسایل میکروالکترونیک، الکترونیک و… با استفاده از لایه های نازک می باشد.]2[
در مواد رسانا صرف نظر از اینکه یک ماده توده یا لایه نازک باشد، تعدادی حامل بار الکتریکی با سرعت مشخص در میدان الکتریکی حرکت می کند که سبب عبور جریان در ماده می شود. در مورد لایه نازک علاوه بر اینکه تعداد حامل های بار کاهش می یابد، به علت کاهش ضخامت لایه، حرکت الکترون ها نیز محدود می شود. به همین علت الکترون ها با اندک انحراف6 از مسیر حرکتشان، باعث کاهش رسانایی می شوند. فاصله یک انحراف از مسیر حرکت تا انحراف دیگر را طول پویش آزاد میانگین7 می نامند که رسانایی ماده تابع این پارامتر است. ضخامت لایه نازک می تواند کمتر از طول پویش آزاد آن گردد، که در این حالت، الکترون ها دائما با دیواره لایه نازک برخورد می کنند و رسانایی ماده بسیار کاهش می یابد و این به معنی افزایش شدید مقاومت الکتریکی لایه نازک خواهد بود. در لایه های نازک فلزی، مقاومت الکتریکی بیشتر از حالت توده ای ماده است که این میزان با افزایش ضخامت لایه نازک، کاهش پیدا می کند. در ساخت لایه های نازک، سه نوع مورفولوژی می تواند ایجاد شود:
لایه ساختار کاملا منسجم داشته باشد.
لایه دارای تخلخل باشد.
لایه بصورت ذرات جدا از هم تشکیل شود.
خواص الکتریکی لایه های نازک شدیدا به مورفولوژی آن ها بستگی دارد. در این میان، بهترین رسانایی مربوط به لایه های نازک منسجم و کمترین رسانایی در لایه هایی با ذرات جدا از هم می باشد. در لایه های فلزی منسجم نیز، رسانایی بسیار بیشتر از لایه های فلزی غیر منسجم است اما برخلاف لایه های فلزی منسجم، با افزایش دما رسانایی لایه های فلزی غیر منسجم افزایش می یابد.
رسانایی لایه نازک منسجم(σ) به این ترتیب قابل محاسبه است:
(1-1)
در رابطه بالا l طول پویش آزاد الکترون، n تعداد حامل های بار، eبار الکترون، m جرم الکترون و V سرعت میانگین الکترون ها در ناحیه فرمی است].7-6[
1-3-3 خواص مغناطیسی
اساس خاصیت مغناطیسی مواد به چرخش الکترون به دور خود یا اسپین الکترون مربوط است. مطابق شکل (1-2) که مربوط به نمودار تعیین مواد فرومغناطیس وآنتی فرو مغناطیسی است ] 5[، اگر نسبت R/r(شعاع اتم به شعاع اوربیتال تک الکترونی)به گونه ای باشد که میزان انرژی تبادلی 8در ناحیه مثبت قرار گیرد، ماده می تواند خاصیت مغناطیسی از خود نشان دهد.]8[
مقصود از انرژی تبادلی مقدار انرژی است که موجب موازی شدن اسپین الکترون ها می شود. به منطقه ای که در آن اسپین الکترون ها موازی و هم جهت هستند، ناحیه مغناطیسی9 گفته می شود.
شکل 1-2 : نمودار تعیین میزان انرژی تبادلی
فلزات واسطه نظیر Fe و Co و NiوGd جزء مواد مغناطیسی طبیعی هستند. اندازه دومین ها در حدود  50 میکرومتر می باشد. با کاهش ضخامت لایه نازک خاصیت مغناطیسی نیز کاهش می یابد، زیرا در این حالت به علت افزایش تعداد الکترون های سطحی و آزادی بیشتر این الکترون ها، به سختی می توان همه آن ها را هم جهت و موازی نمود. کاهش بیشتر ضخامت لایه های نازک به کمتر از اندازه دومین مغناطیسی می تواند آنها را به لایه های پارا مغناطیس تبدیل کند. اما در لایه های نازک، آثار پارا مغناطیس و دیا مغناطیس به قدری ضعیف است که به سختی آشکار می شود. خواص فرو مغناطیس به دمای زیرلایه، آهنگ لایه نشانی و اجزای سازنده بستگی دارد. با استفاده از فلزات مغناطیسی(Fe و Co وNi ) می توان لایه های نازک فرومغناطیس را تولید نمود که کاربرد وسیعی در ابزار حافظه کامپیوتر دارند، زیرا در لایه های نازک به علت کاهش تعداد دومین ها، زمان مغناطیس شدن و مغناطیس معکوس، کاهش می یابد. خاصیت مغناطیسی لایه های نازک به شدت به مورفولوژی و میکروساختار و تاحدودی به شکل هندسی لایه بستگی دارد.]2-4[
1-3-4 خواص نوری
پدیده های مختلف نوری در مواد شامل بازتاب10، جذب11، عبور12و تداخل13نور می باشد.
(1-2)
به طوری که درصد بازتاب، درصد جذب، درصد عبور و درصد پراکندگی نور می باشد. پارامترهای اصلی واکنش نور با لایه های نازک شامل ضریب شکست ( n)و ثابت جذب (k) می باشد. به طور کلی هیچ ماده ای وجود ندارد که نور را کاملا جذب کند یا آن را به طور کامل بازتاب کند. تمام جامدات قسمتی از نور را جذب و قسمتی از آن را بازتاب می کنند. چنانچه در ماده ای، k>>nباشد یعنی در آن ماده جذب بالا اتفاق می افتد مانند مواد عایق و دی الکتریک ها. در لایه های نازک در محدوده نانومتری با ضخامت بالاتر از  10 نانومتر، ضریب شکست لایه از ضریب شکست همان ماده در حالت توده کوچکتر است و در مقابل، ضریب جذب آن بالاتر از حالت توده ای ماده است، پس بنابراین لایه های نازک جذب نور بالاتری دارند. درجه افزایش k و کاهش n تابع پارامترهای لایه نشانی نظیر نحوه لایه نشانی، تخلخل لایه و ضخامت آن می باشد. معمولا برای لایه نشانی با اهداف نوری، از روش های فیزیکی استفاده می شود. از تغییراتی که در ثابت های جذب و بازتاب لایه نازک ایجاد می شود، می توان در کاربردهای وسیعی نظیر آینه ها و لایه های ضدانعکاس استفاده نمود، همچنین بیشترین کاربرد آن مربوط به سیستم های چندلایه است که با ترکیب چند لایه با ضخامت ها و ضریب شکست های متفاوت ایجاد می شود.[4-3[
1-3-5 خواص شیمیایی
در لایه های نازک به علت سطح تماس زیاد لایه با محیط، واکنش پذیری لایه نسبت به ماده توده ای افزایش می یابد، لذا از این خاصیت لایه های نازک می توان به عنوان سنسور شناسایی مواد شیمیایی استفاده نمود. ]4[
1-3-6 خواص حرارتی
از آن جا که لایه های نازک از نسبت سطح به حجم بالایی برخوردارند، لذا تعداد اتم های سطحی بیشتری دارند و چون اتم های سطحی ماده آزادی عمل بیشتری نسبت به اتم های درون شبکه دارند، به همین دلیل دمای ذوب لایه نازک کمتر از دمای ذوب همان ماده در حالت توده ای است.[4-7[

1- 4 اهمیت و کاربرد لایه نازک
در سال های اخیر، علم لایه های نازک در میان سایر علوم رشد قابل ملاحظه ای داشته و حجم وسیعی از تحقیقات را به خود اختصاص داده است. لایه های نازک با ضخامت زیر میکرونی، با خواصی ناشی از دو ویژگی اصلی آن ها که شامل نازک بودن سطح و بزرگی فوق العاده نسبت سطح به حجم است، کاربردهای فراوانی در فناوری های نوین یافته اند. برخی از خصوصیاتی که در اثر نازک بودن سطح به وجود می آید، شامل افزایش مقاومت ویژه، ایجاد پدیده تداخل نور، پدیده تونل زنی، مغناطیس شدگی سطحی، تغییر دمای بحرانی ابررساناها می باشد و همچنین برخی از خصوصیاتی که از بزرگی سطح لایه های نازک ناشی می شود شامل پدیده جذب سطحی فیزیکی، پدیده جذب سطحی شیمیایی، پدیده پخش و فعالسازی می باشد.
بی شک رشد چشمگیر ارتباطات، پردازش اطلاعات، ذخیره سازی، صفحه های نمایش، صنایع تزئینی، وسایل نوری، مواد سخت و عایق ها نتیجه تولید لایه های نازک براساس فناوری های نوین می باشد. با توجه به عملکرد و خواص لایه های نازک، می توان از آنها جهت بهبود تکنولوژی هایی نظیر سلول های خورشیدی و سنسورها نیز استفاده نمود. اهمیت عمده لایه های نازک در صنایع الکترونیک، میکروالکترونیک و صنایع نوری می باشد که در سال های اخیر با پیشرفت فناوری نانو، رشد قابل ملاحظه ای را در اصلاح خواص سطحی مواد داشته است و این تحولات در سال های اخیر، خود ناشی از پیشرفت در فناوری خلاء، تولید میکروسکوپ های الکترونی و ساخت وسایل دقیق و پیچیده شناسایی مواد می باشد. از نقطه نظر تاریخی در ابتدا تکنولوژی لایه نازک در صنایع مدارهای مجتمع استفاده شد و در طی 40 سال اخیر، نیاز صنایع به ابزارهای کوچکتر و سریعتر، تکنولوژی و فیزیک لایه های نازک را جهت رسیدن به این هدف بهبود بخشید. امروزه کاربرد لایه نشانی در صنایع، موضوع توسعه یافته ای است به گونه ای که بخش بزرگی از زندگی مدرن را مدیون توسعه صنعت لایه نشانی می دانند.]2-9[

1-5 روشهای ساخت لایه نازک
در علم لایه نازک، فرآیند لایه نشانی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بر اساس معیارهای مختلف، دسته بندی های متعددی ارائه شده که مهمترین آن تقسیمات بر اساس نوع فرآیند است. روش های سنتز لایه های نازک به دو دسته عمده، روش های فیزیکی و روش های شیمیایی تقسیم بندی می شوند.]2-3 [
شکل 1-3 : نمودار روش های ساخت لایه نازک
1-5-1 روشهای فیزیکی
قدیمی ترین روش ساخت لایه های نازک، روش فیزیکی است که در سال 1857 توسط فارادی با تبخیر یک فیلامان فلزی انجام شد. این فرآیند شامل دو روش تبخیری14 و پراکنش (کندوپاش15) می باشد.

1-5-1-1 روشهای تبخیری
در این روش ماده مورد نظر درون محفظه ای با فشار معین (معمولا فشار کمتر از 1 اتمسفر) قرار می گیرد، سپس با اعمال حرارت تبخیر شده و بخار حاصل بر روی زیر لایه کندانس می شود. در این روش، نوع و شکل فیلامان گرم کننده روی سرعت پوشش دهی و خصوصیات لایه تشکیل شده تاثیر می گذارد. باید در انتخاب فیلامان دقت نمود، زیرا فشار بخار فیلامان نبایستی از فشار بخار هدف16 مورد نظر بیشتر باشد، تا به هنگام تبخیر هدف، فیلامان همراه با آن تبخیر نشود.
از جمله موادی که با این روش لایه نشانی می شوند آلومینیوم،کروم، مس، طلا، نیکل، کادمیم، پالادیم، تیتانیم، تنگستن و تانتالیم می باشند. معمولا فیلامان ها از یک ماده دیرگداز نظیر تنگستن یا گرافیت انتخاب می شوند. اما چنانچه هدف، ساخت لایه های نازک دیرگداز مثل تنگستن و تانتالیم باشد، بایستی از روش قوس الکتریکی برای تبخیر آن استفاده نمود. در تکنولوژی های بالاتر، از روش پرتو الکترونی با انرژی بالا جهت تبخیر ماده استفاده می شود. در این روش با کنترل ولتاژ شتاب دهنده الکترون، انرژی پرتو الکترونی تنظیم شده و حرارت به صورت متمرکز بر روی هدف اعمال می گردد.[2-3[
لایه نشانی به روش تبخیری شامل روش تبخیر مقاومتی، روش تفنگ الکترونی، روش  تبخیر لیرزی و روش باریکه مولکولی خالص17 می باشد، که در ادامه به تفصیل آن را بررسی می کنیم.

1-5-1-1-1 لایه نشانی به روش MBE
یکی از روش های فیزیکی لایه نشانی که در تکنولوژی برای رشد لایه های نازک با خلوص بالا مورد استفاده قرار می گیرد و در آن لایه به شکل تقریباً کریستالی بر روی زیرلایه رشد می یابد، روش رشد باریکه مولکولی خالص (MBE) است. دراین روش، منابع عنصری از طریق حرارت دادن با نرخ کنترل شده، تبخیر شده و سپس بر روی زیر لایه با دمای مناسب تقطیر می شوند. این عمل را تکنیک فوق خلاء18 UHV می گویند. ویژگی این روش این است که در آن می توان ساختار پوشش در حال تولید را به صورت تک بلور و یا لایه لایه کنترل کرد. به بیان ساده تر، با حرارت دادن سطح یک فلز( به عنوان منبع)، اتم ها یا خوشه هایی از اتم های آن در محیط خلا شروع به حرکت کرده و با نرخ آرام و دمای مناسب بر سطوح زیر لایه می نشینند و در رشد لایه شرکت می کنند. در این روش خلوص و دقت لایه نشانی از اهمیت بالایی برخوردار است. شرایط خلاء بالا برای ایجاد خلوص بیشتر و پارامتر نرخ رشد پایین، برای دقت لایه نشانی بالا، نقش اساسی در مشخصات فیزیکی لایه های رشد داده شده با این روش را دارند. گرچه این اتفاق بسیار ساده و پیش پا افتاده به نظر می رسد، اما برای دست یافتن به محصولی خالص با فصل مشترکی کنترل شده باید از ابزاری بسیار پیشرفته استفاده کرد. برای اطمینان از خلوص لایه با اندازه کافی، وجود شرایط فوق خلاء (حدود 9-10 تور ) لازم است. استفاده از شرایط فوق خلاء دارای دو مزیت است، اولا اتم ها و مولکول ها به صورت خیلی خالص به سطح رشد می رسند، ثانیا فرآیند رشد را می توان با تکنیک های تشخیص و مشاهده در حالی که کریستال به صورت لایه اتمی رشد می کند، تحت نظارت و کنترل درآورد. تکنیک MBE به عنوان یک فن آوری عالی جهت رشد کریستالی و برای تولید ساختارهای پیچیده و متنوع و بویژه برای ساختارهای چند لایه با مبنای GaAs شناخته شده است. این روش ما را قادر می سازد تا کنترل دقیقی بر صفحات لایه و نیم رخ آن داشته باشیم، البته این روش بعلت استفاده از دستگاه فوق خلاء ، روش گران قیمتی است.
اگر چه فرآیند اصلی MBE از زمان های خیلی قبل انجام می گرفته است، اما کار اصلی در اين زمينه در رشد ترکیبی نیمه رساناها شکل گرفت که آرتور و چو19 متولی آن بودند. آنها با استفاده از طیف نگار جرمی و تکنیک های آنالیز سطحی، فرآیند رشد GaAs را در اندازه های اتمی بررسی کردند. به دنبال آنها چانگ 20 و دیگران این فرآیند را به گونه ای توسعه دادند که امروزه سیستم MBE نامیده می شود. بیشتر تحقیقات انجام گرفته با این سیستم، بر روی عناصر گروه III و گروه V مانند(Ga,Al,In,As,Sb,P) و همچنین بر روی ژرمانیوم و سیلیکن  صورت می گیرد.
مهم ترین تغییر که در سال های اخیر در این دستگاه صورت گرفت، بهبود در سیستم خلأ محفظه بود که تا 11-10 تور افزایش یافت، ولی درک صحیحی از MBE ریشه در آنالیز سطحی و همچنین رشد لایه های خالص در سطح اتمی دارد. در این حالت مسافت پویش آزاد گازها چندین مرتبه از فاصله نمونه تا زیرلایه (حدود20 سانتی متر) بیشتر است. واکنش ها به شکل خاص در روی سطح زیرلایه، جائی که پرتوهای چشمه های مختلف در آن با هم ترکیب می شوند، رخ می دهد. محفظه از استیل ساخته شده که سطوح داخلی آن کاملاً پولیش شده تا جذب گازها و رطوبت توسط دیواره ها به حداقل برسد.
معمولاً کلیه قسمت ها به گونه ای ساخته شده اند که ویفرها تحت خلأ فرازیاد به راحتی قابل جابجایی باشند. این سیستم شامل فرآیندهای مختلفی مانند آنالیز لایه، آماده سازی زیرلایه و فرآیند رشد است. همچنین سیستم می تواند برای لایه نشانی فلزی (کندوپاش و یا تبخیر حرارتی)، محفظه جداگانه ای داشته باشد. چون خلأ در حدود 11-10 تور بوده و به دلیل اینکه زمان زیادی گاهاً چند روز لازم است تا شرایط فوق خلاء آماده شود، معمولاً سیستم تحت یک خلأ ثابت قرار می گیرد و فقط فضای محدودی از سیستم با هوا در تماس است. در بیشتر این سیستم ها می توان از محصول داخل محفظه خلأ، یک آنالیز ساختاری و شیمیایی نیز داشت. متناسب با نوع تکنیک های رشد و تعداد آنالیزها از محفظه های مختلفی استفاده می شود که غالباً به صورت جدا به پمپ های خلأ مخصوص خود متصل بوده و خلأ مورد نظر را ایجاد می کنند. غالباً از یک محفظه کوچک به نام Load lock به عنوان محفظه ای جدا از محفظه رشد برای انتقال نمونه استفاده  می کنند.
چشمه های مختلفی با قدرت ایجاد شار با آهنگ های متفاوت وجود دارند که می توانند در این سیستم ها بکار روند. این چشمه ها همگی به سمت زیرلایه ای که بوسیله یک هیتر گرم می شود متمرکز شده اند تا تحرک پذیری بیشتری به سطح زیرلایه بدهند و در نتیجه یک تک لایه کریستالی تشکیل می شود.
همان طور که گفته شد یکی از مزایای سیستم هایMBE   آنالیز نمونه در داخل سیستم است. این آنالیزها ممکن است در محفظه اصلی و یا محفظه های جانبی آن انجام شوند.
از متداول ترین آنالیزهای مورد استفاده می توان به طیف سنج الکترون های اوژه، طیف نگاری جرمی یون ثانویه(SIMS) و طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) اشاره نمود.

شکل1-4 : نمای شماتیک از دستگاه MBE در زوایای مختلف
چند محفظه ای بودن این سیستم ها امکان مانور بیشتری به اپراتور برای آنالیزهای مختلف و تنوع رشد می دهد. یک محفظه Load-lock تا حدود 8-10 تور تخلیه می شود، در حالی که دیگر محفظه های خلأ، به خلأ بالاتر از 10-10×5 و 11-10×5 تور می رسد.
در فرآیند رشد MBE ، کنترل درجه حرارت، شاترها، پرتوهای مولکولی (اتمی) و آهنگ انباشت هر یک از چشمه ها که به سمت نمونه (تحت گرمای مناسب) هدایت می شوند در رشد خالص لایه بسیار مهم است.
اینک فرآیند کلی رشد در یک سیستم MBE را بررسي مي كنيم:
1- آماده سازی ویفرها.
این مرحله شامل تمیزکاری و گاهی لکه برداری از روی ویفرها است.
2- قرار دادن ویفرها در داخل سیستم و تخلیه محفظه های خلأ.
زیرلایه های مورد استفاده، ویفرهای تک کریستالی هستند و قبل از انباشت، تمیز می شوند و معمولاً یک لایه اکسیدی برای محافظت در مقابل گازهای هوا و مواد ویفر روی زیرلایه بکار می رود.
3-ایجاد حرارت زیر ویفرها.
حرارت باید به گونه ای باشد که سطوح کاملاً تمیز و خالص شوند. به عنوان مثال حرارت مورد نیاز برای Ga، 550 -500 درجه سانتیگراد و برای سیلیکن 900-700 درجه سانتی گراد در نظرگرفته می شود.
4-شروع فرآیند لایه نشانی لایه، با خلأ خیلی بالا و توسط چند چشمه با آهنگ های بالاتر از یک میکرون در ساعت.
5-انجام آنالیزهای مختلف بر روی لایه در حال رشد و یا لایه رشد یافته.  
با توجه به اینکه خواص الکتریکی این مواد مستقیماً به ساختار کریستالی لایه ها مربوط می شوند، MBE بهترین انتخاب برای آنهاست. با توجه به فرآیند دقیق و اعمال خلأ بالا در سامانه های MBE ، کاربردهای فراوانی برای آن وجود دارد که از جمله می توان به ساخت سلول های خورشیدی، ابررساناها، لیزرهای نیمه هادی و ساخت LED اشاره نمود. ]3 [
1-5-1-2 کندوپاش
کندوپاش اولین بار در سال 1852 مورد استفاده قرار گرفت. در آن هنگام، شخصی به نام گرو با استفاده از تخلیه الکتریکی توانست لایه فلز را روی کاتد سرد لایه نشانی کند. کندوپاش در ابتدا، عمدتاً برای لایه نشانی فلزات دیرگداز بکار می رفت چرا که لایه نشانی آن ها با روش حرارتی ممکن نبود و به مرور با انجام تغییراتی، برای لایه نشانی مواد دی الکتریک نیز مورد استفاده قرار گرفت. یکی از این تغییرات، استفاده از امواج دارای فرکانس رادیویی بود که اجازه می داد تا دی الکتریک ها بصورت مستقیم لایه نشانی شوند.
استفاده از امواج Rf از سال 1960 گسترش یافت و مایسل و دیوید21 در سال 1966، برای ساخت لایه های دی الکتریک، از امواجRf   استفاده کردند. در 1968 شرکت  Hohensteinبه طور هم زمان شیشه را با استفاده از امواج Rfو فلزات نیکل، مس و آلومينیوم را با استفاده از جریان مستقیم DC لایه نشانی نمود. در ادامه برای بهبود لایه نشانی و بالا بردن آهنگ رشد لایه از میدان مغناطیسی استفاده شد که بواقع انقلابی مهم در گسترش این فن‌آوری بود و موجب شد که مقایسه بین کندوپاش را با روش های دیگری مانند روش تبخیری برای لایه نشانی فلزات، آلیاژها، دی الکتریک ها و دیگر مواد بين كارشناسان به بحث گذاشته شده و به عنوان روشی قابل اعتماد برای لایه نشانی مورد توجه قرارگيرد.]12[
روش کندوپاش شامل تبخیر ماده منبع، انتقال بخار از منبع به زیرلایه و تشکیل لایه نازک روی زیرلایه است. در اثر تخلیه الکتریکی و یونیزاسیون گازی که به داخل محفظه کندوپاش وارد شده، یون های مثبتی ایجاد می شوند، با برخورد این یون ها به سطح هدف و انتقال انرژی به آن، اتم هایی از سطح هدف جدا شده و به بیرون از سطح پرتاب می کنند. سپس این اتم ها در محیط خلا به سمت زیرلایه حرکت کرده و بر روی آن جمع می شوند و باعث تشکیل لایه نازک می شوند.
برای این که ماده منبع، به فاز بخار خود منتقل شود، می توان از بر هم کنش فیزیکی ذره هایی که به ماده منبع یا هدف برخورد می کنند استفاده کرد. با بمباران و برخورد ذرات پر انرژی به سطح هدف، که به ولتاژ منفی متصل شده و نقش کاتد را دارد، اتم ها یا مولکول ها از سطح هدف جدا شده و به بیرون پرتاب می شوند و در میدان ایجاد کننده پلاسما شتاب می‌گیرند. از طرف دیگر زیرلایه با اتصال به ولتاژ مثبت نقش آند را ایفا می کند و لایه ای از جنس هدف روی آن انباشت می شود.



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید