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:
در رابطه بالا طول پویش آزاد الکترون، تعداد حامل های بار، بار الکترون، جرم الکترون و سرعت میانگین الکترون ها در ناحیه فرمی است].۷-۶[
۱-۳-۳ خواص مغناطیسی
اساس خاصیت مغناطیسی مواد به چرخش الکترون به دور خود یا اسپین الکترون مربوط است. مطابق شکل (۱-۲) که مربوط به نمودار تعیین مواد فرومغناطیس وآنتی فرو مغناطیسی است ] ۵[، اگر نسبت R/r(شعاع اتم به شعاع اوربیتال تک الکترونی)به گونه ای باشد که میزان انرژی تبادلی [۸]در ناحیه مثبت قرار گیرد، ماده می تواند خاصیت مغناطیسی از خود نشان دهد.]۸[
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 مغناطیسی[۹] گفته می شود.
شکل ۱-۲ : نمودار تعیین میزان انرژی تبادلی
فلزات واسطه نظیر Fe و Co و NiوGd جزء مواد مغناطیسی طبیعی هستند. اندازه دومین ها در حدود ۵۰ 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 بهره گرفتن 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.]۲-۴[
۱-۳-۴ خواص نوری
پدیده های مختلف نوری در مواد شامل بازتاب[۱۰]، جذب[۱۱]، عبور[۱۲]و تداخل[۱۳]نور می باشد.
(۱-۲)
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 ۱۰ 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.[۴-۳[
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
۱-۳-۵ 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. ]۴[
۱-۳-۶ 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.[۴-۷[
۱- ۴ 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 ۴۰ 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.]۲-۹[
۱-۵ روش های ساخت لایه نازک
در علم لایه نازک، فرایند 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 فرایند است. روش های سنتز لایه های نازک به دو دسته عمده، روش های فیزیکی و روش های شیمیایی تقسیم بندی می شوند.]۲-۳ [
روش های ساخت لایه نازک
شیمیایی
فیزیکی
سل ژل
آبکاری الکتریکی
انباشت بخار
تبخیری
کندوپاش
تبخیرمقاومتی
تفنگ الکترونی
باریکه مولکولی خالص(MBE)
تبخیرلیزری
DC
RF
مگنترون
شکل ۱-۳ : نمودار روش های ساخت لایه نازک
۱-۵-۱ روش های فیزیکی
قدیمی ترین روش ساخت لایه های نازک، روش فیزیکی است که در سال ۱۸۵۷ توسط فارادی با تبخیر یک فیلامان فلزی انجام شد. این فرایند شامل دو روش تبخیری[۱۴] و پراکنش (کندوپاش[۱۵]) می باشد.
۱-۵-۱-۱ روش های تبخیری
در این روش ماده مورد نظر درون محفظه ای با فشار معین (معمولا فشار کمتر از ۱ 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 هدف[۱۶] 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.[۲-۳[
لایه نشانی به روش تبخیری شامل روش تبخیر مقاومتی، روش تفنگ الکترونی، روش تبخیر لیرزی و روش باریکه مولکولی خالص[۱۷] می باشد، که در ادامه به تفصیل آن را بررسی می کنیم.
۱-۵-۱-۱-۱ 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 خلاء[۱۸] 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 ۹-۱۰ 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 فرایند 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 فرایند اصلی MBE از زمان های خیلی قبل انجام می گرفته است، اما کار اصلی در این زمینه در رشد ترکیبی نیمه رساناها شکل گرفت که آرتور و چو[۱۹] متولی آن بودند. آنها با بهره گرفتن از طیف نگار جرمی و تکنیک های آنالیز سطحی، فرایند رشد GaAs را در اندازه های اتمی بررسی کردند. به دنبال آنها چانگ [۲۰] و دیگران این فرایند 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 ۱۱-۱۰ 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 (حدود۲۰ 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 فرایند رشد است. همچنین سیستم می تواند برای لایه نشانی فلزی (کندوپاش و یا تبخیر حرارتی)، محفظه جداگانه ای داشته باشد. چون خلأ در حدود ۱۱-۱۰ 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.