موضوع مقاله: کندوپاش | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # کندوپاش | مقدمه: اصل کندوپاش استفاده از انرژی پلاسما برای کندن اتم‌های سطحی عنصر هدف (به انگلیسی: target) و رسوب آن‌ها بر سطح بستر است. | ## بخش 1: کندوپاش | مانند سایر روش‌های لایه نشانی فیزیکی تحت شرایط خلأ، روش کندوپاش نیز شامل سه مرحلهٔ تبخیر مادهٔ منبع، انتقال بخار از منبع به جسم و تشکیل لایه نازک روی جسم با انباشت بخار منبع مورد نظر است. در روش کندوپاش، برای این‌که مادهٔ منبع به فاز بخار درآید،ابتدا محفظه متشکل از بستر، کاتد (هدف) و سایر اجزاء در خلاء بالا ( 6-^10 تا 2-^10 میلی تور(mTorr از گازهای آلاینده که بر بازده کندوپاش موثر هستند تهی شده، در مرحله بعد گاز پراکندگی مثل آرگون تزریق می‌شود. به‌ وسیله ایجاد اختلاف پتانسیل میان آند و کاتد یا روش‌های دیگر تهییج، ابری از پلاسما شامل یون‌های Ar+ شکل می‌گیرد که به سمت کاتد شلیک می‌شوند. پس از برخورد، یون‌های آرگون تکانه حرکت خود را صرف کنده‌شدن اتم‌های سطح هدف و پرتاب آن‌ها به سطح بستر می‌کنند .L. امروزه دانش کافی نسبت به فرایند پیچیده‌ای که حین بمباران یونی سطح هدف جامد رخ می‌دهد توسعه یافته و تجهیزات امروزی قابلت طراحی فرایندی تکرار پذیر و قابل کنترل را مهیا ساخته‌اند. پیشرفت این شاخه از علم که با اندرکنش یون- سطح مرتبط است با توسعه موازی فناوری خلأ بالا و روش‌های بسیار حساس میکرو آنالیز تسریع شد. خط ضخیم موقعیت سطح را نشان می‌دهد، همه چیز زیر آن اتم‌های داخل ماده است و خطوط نازک‌تر، مسیرهای حرکت بالستیک اتم‌ها از ابتدا تا زمانی که در مواد متوقف شوند. دایره‌های قرمز، آبی، سبز و زرد به ترتیب پس زدگی‌های اولیه، ثانویه، سوم و چهارم را نشان می‌دهد. در عمل ماده مورد نظر جهت لایه نشانی یا همان هدف در مقابل زیر لایه و در فشار اولیه ۱۰–۶ تا Torr 10-10 قرار می‌گیرید. معمول‌ترین شیوه تأمین یون، عبور مداوم گازی همچون آرگون است که فشار را به ۱ تا ۱۰۰ Torr افزایش داده قوس درخشان یا همان پلاسما را تشکیل می‌دهد. یون‌های شتابدار انرژی جنبشی بسیار بالایی دارند بطوری‌که رسیدن به این سطح انرژی با حرارت دادن به نمونه امکان‌پذیر نیست. به علاوه لایه ایجاد شده مورد اصابت ذرات مختلف اما کم انرژی مثل اتم‌های هدف، یون‌های برگشتی گاز آلاینده و غیره قرار می‌گیرند؛ بنابراین اندرکنش یون-سطح تنها منحصر به هدف نیست بلکه در سینیتیک جوانه زنی و رشد فیلم و نیز تأثیر بسزایی دارد و کنترل بمباران یونی در هدف، خواص و ریزساختار فیلم را تعیین می‌کند. حالات محتمل بمباران کاتد توسط یون 1- اتم‌های سطحی از کاتد خارج شوند؛ این همان پدیده کندوپاش مورد نظر است که تاکنون به آن اشاره شد. 2- یون‌های پرتاب‌شده در هدف ادغام شده و احتمالاً ترکیب شکل دهند؛ به این پدیده کاشت یونی می‌گویند. 3- یون‌ها روی سطح هدف متراکم شوند و تشکیل یک لایه نازک بدهند؛ این اثر، رسوب یونی نام گرفته‌است. بازده کندوپاش به منظور مشخص‌شدن نتیجه کندوپاش معیاری به عنوان بازده کندوپاش در نظر گرفته شده‌است. بازده کندوپاش متاثر از مشخصات یون شلیک شده (انرژی جنبشی و جرم) و مشخصات هدف (چگالی، انرژی اتصال اتم‌های سطحی و جرم آن‌ها) است. برای یک اتم از هدف، می‌بایست یون‌ها بر حداقل انرژی اتصال اتم‌های سطحی ماده غلبه کنند که معمولاً در حدود 30 تا 50 الکترون ولت برای ترکیبات مرسوم است. این وابستگی مناطق مختلف را شامل می‌شود که به ترتیب افزایش انرژی عبارتند از: الف. کندوپاش کم انرژی (آستانه فرعی): برای انرژی‌هایی کمتر از انرژی اتصال اتم‌های سطحی قراردارد، معمولاً بازده کم‌تر از واحد، در محدوده 6-10-2-10 است چراکه یون‌های بمباران‌شده تنها قادر به خارج‌کردن آزادترین اتم‌های سطحی یا گونه‌های مولکولی هستند. کندوپاش ضربه‌ای (رژیم آبشاری خطی): در محدوده انرژی eV 1000-10 از یون‌ها، به‌دلیل غلبه بر انرژی اتصال اتم‌های سطحی ماده هدف، در اثر برخورد یون‌های شلیک‌شده، تعدادی از اتم‌های سطحی و نزدیک به سطح می‌توانند از جایگاه تعادلی خود خارج و پس از برخورد با اتم‌های دیگر از سطح هدف خارج شوند. | ## بخش 2: کندوپاش | بازده کندوپاش در این محدوده انرژی یون‌ها در حدود % 3 - 0/1 برای اغلب ترکیبات متدوال است. رژیم آبشاری غیرخطی: چنانچه انرژی بالاتر از eV 1000 باشد، یون‌ها به توانایی کافی برای جابجایی تعداد بالایی از اتم‌های کاتد خواهند رسید. باتوجه به انرژی بالای مورد نیاز و انرژی بالای اتم‌های جداشده از کاتد، این رژیم در اغلب کاربردهای صنعتی مطلوب و مورد استفاده نیست. در انرژی‌های بالاتر از eV 50، به دلیل شرکت یون‌های شلیک‌شده در پدیده کاشت یونی، بازده کندوپاش کاهش می‌یابد. که در آن Y بازده کندوپاش، جرم پس‌زدگی، γ ضریب جرم انتقال انرژی، E انرژی اولیه یون پیش از برخورد، انرژی آستانه کندوپاش است. γ و به ترتیب به صورت زیر محاسبه می‌شوند: انواع روش‌های کندوپاش RF plasma باتوجه به محدودیت پلاسمای دیود برای دست‌یابی به سطوح بالای یونیزاسیون گاز و کندوپاش کاتد، جایگزینی منبع تغذیه متناوب با فرکانس رادیویی (RF) به همراه سخت‌افزار تطبیق امپدانس با منبع DC انجام گردید. توان متناوب این منبع با حرکت الکترون‌ها در پلاسما جفت شده و باعث افزایش زمان نگه‌داری در پلاسما، یونیزاسیون برخوردی بالاتر و چگالی بیش‌تر پلاسما می‌شود. دستگاه‌های پلاسما RF علاوه بر فراهم‌کردن چگالی بالاتر برای کندوپاش فلزات، کندوپاش مواد عایق مانند سیلیکا و آلومینا را فراهم می‌آورند چراکه قطبیت متناوب کاتد از تجمع بار در سطح آن جلوگیری می‌کند. پس از اعمال خلاء و خارج نمودن آلودگی‌ها، گازی همچون آرگون با فشاری در محدوده mTorr وارد محفظه و به دو سر صفحات موازی اختلاف پتانسیل اعمال می‌شود. در ولتاژی بالاتر از ولتاژ شکست آستانه (بسته به نوع گاز، فشار محفظه و تریکبات کاتد)، اتم‌های گاز به صورت یونیزه (Ar+) درآمده و پلاسما تشکیل می‌شود. به‌طور همزمان الکترون به سمت آند حرکت می‌کند اما به دلیل جرم کم‌تر نسبت به یون دارای سرعت حرکت بالاتری است؛ در نتیجه یک غلاف تهی از الکترون در نواحی اطراف کاتد تشکیل و کاتد اصلاحاً دچار سقوط می‌شود. این لایه عاری از الکترون اختلاف پتانسیل میان آند و کاتد را تشدید کرده و سبب افزایش سرعت و شتاب‌گیری شلیک یون‌ها به کاتد می‌شود. در اثر برخورد یون‌ها به کاتد علاوه بر اتم‌های کنده‌شده، الکترون ثانویه نیز به منظور حفظ خنثی الکتریکی از کاتد ساطع می‌شود. با ازفایش توزیع سرعت ماکسول (دما) الکترون‌هایی که از طریق تفرق الکترون-الکترون از قبل در پلاسما وجود دارد. باتوجه به اینکه سطح مقطع یونیزاسیون در انرژی‌های الکترونی eV 100 به اوج خود می‌رسد و با افزایش بیش‌تر انرژی افت می‌کند، نمی‌توان فرآیند را با افزایش توان بیش‌تر افزایش داد. کندوپاش مغناطیسی متداول‌ترین روش کندوپاش، کندوپاش مغناطیسی است که در آن میدان مغناطیسی به موازات سطح کاتد اعمال می‌شود. این عمل باعث می‌گردد تا الکترونها به جای طی مسیر به صورت مستقیم، به صورت مارپیچی حرکت کنند. در این صورت، علاوه بر این‌که الکترون‌ها پرانرژی‌تر می‌شوند، مسیر بیشتری را طی کرده و اتم‌های بیشتری از مادهٔ منبع را یونیزه می‌کنند؛ بنابراین میدان مغناطیسی، پلاسما را در اطراف سطح منبع محدود می‌کند که این دام الکترونی، آهنگ برخورد بین الکترون‌ها و مولکول‌های گاز که کندوپاش را به عهده دارند افزایش می‌دهد و سبب می‌شود که لایه نشانی در فشارهای پایین‌تر قابل انجام شود. میدان مغناطیسی با افزایش چگالی پلاسما، چگالی جریان در منبع یا کاتد را افزایش داده و در نتیجه آهنگ کندوپاشی افزایش می‌یابد. به دلیل پایین بودن فشار گاز، ذرات کنده شده فضای محفظه را بدون برخورد طی می‌کنند که منجر به افزایش آهنگ لایه نشانی می‌شود. این روش در مقایسه با سایر روش‌ها، قابلیت لایه نشانی درمقیاس بزرگ را داراست؛ بنابراین برای کاربردهای صنعتی به‌طورگسترده استفاده می‌شود و به منظورافزایش آهنگ لایه نشانی ازکندوپاش مغناطیسی استفاده می‌گردد. | ## بخش 3: کندوپاش | چنانچه ولتاژ منبع تغذیه از نوع DC باشد، کندوپاش مستقیم نام دارد و معمولاً برای لایه نشانی فلزات به کار گرفته می‌شود. برای لایه نشانی مواد عایق و نیمه رسانا از پتانسیل فرکانس رادیویی استفاده می‌شود. پی‌وی‌دی به‌طور گسترده در صنعت نیم‌رساناها برای رسوب دادن لایه‌های نازک از مواد مختلف بر روی تراشه‌های الکترونیکی می‌باشد. از آنجا که در این روش از دمای پایین استفاده می‌شود، کندوپاش یک روش ایده‌آل برای رسوب‌دهی فیلم نازک فلزات برای تولید ترانزیستورها است. همچنین در کاربردهای بصری برای ایجاد پوشش‌های نازک ضد انعکاس بر روی شیشه از این روش استفاده می‌گردد. یکی دیگر از کاربردهای آشنا از پی‌وی‌دی، ایجاد پوشش کم تشعشع بر روی شیشهٔ دوجداره است؛ این پوشش چند لایه حاوی نقره و اکسید فلزات مانند اکسید روی، اکسید قلع، یا دی‌اکسید تیتانیوم است. این روش همچنین برای ایجاد لایهٔ فلزی (به عنوان مثال آلومینیوم) در فرایند ساخت سی دی و دی وی دی مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقایسه با سایر روش‌های رسوب‌دهی یک مزیت مهم روش کندوپاشی این است که به راحتی می‌توان پوششی از انواع مواد حتی مواد با نقطه ذوب بسیار بالا را ایجاد کرد در حالی که تبخیر یا ذوب این مواد بسیار پرهزینه یا غیرممکن است. پوشش‌های ایجاد شده توسط کندوپاشی ترکیبی نزدیک به مادهٔ منبع دارند و تفاوت آن‌ها به دلیل اختلاف در پاشش ذرات مختلف به‌خاطر تفاوت در وزن آن‌ها است (عناصر سبک‌تر به راحتی توسط گاز منحرف می‌شوند). لایهٔ ایجاد شده توسط روش کندوپاش معمولاً چسبندگی بهتری نسبت به لایه‌های ایجاد شده توسط روش‌های تبخیری دارد. انواع دستگاه کندوپاش مغناطیسی دستگاه کندوپاش می‌تواند طراحی‌های مختلفی داشته باشد: در سیستم کندوپاش مغناطیسی، میدان مغناطیسی در مجاورت کاتد، تله‌ای را برای الکترون‌ها تشکیل می‌دهد. الکترون‌ها تحت تأثیر میدان یکنواخت الکتریکی دارای سرعت در جهت مستقیم می‌باشند اما از آن جایی که در این نوع سیستم‌ها میدان مغناطیسی نیز وجود دارد، الکترون‌ها در راستای میدان الکتریکی حرکت مارپیچ خواهند داشت (بنابراین مسیر بیشتری را برای یونیزه کردن تعداد بیشتر اتم‌ها می‌پیماید). الکترون‌ها در صورتی می‌توانند از تله خارج شوند که انرژی آن‌ها چند صد الکترون‌ولت باشد. با برخورد الکترون‌هایی با انرژی چند صد الکترون‌ولت اتم‌های گاز تبدیل به یون می‌شوند. از مزایای این دستگاه گرم نشدن هدف، نرخ بالای لایه نشانی و قابلیت لایه نشانی در سطوح بزرگ است. سیستم کندوپاش با دیود موازی که ساده‌ترین نوع سیستم است و در آن منبع و جسم مورد نظر به موازات یکدیگر قرار گرفته‌اند. در این نوع سیستم در حین بمباران یونی، سطح زیرلایه نیز بمباران شده و آلودگی‌های آن تمیز می‌شود. هر چند بیش‌ترین چسبندگی منبع با سطح جسم در این نوع سیستم حاصل می‌شود که اتفاق مطلوبی است، اما در این نوع سیستم برای ایجاد پلاسما به فشارهای بالاتری نیاز است و در نتیجه حرکت بالستیک اتم‌های کنده شده از هدف به حرکت نفوذی تبدیل می‌شود. در واقع این اتم‌های کنده شده حین رسیدن به زیرلایه، با اتم‌های محیط برخورد کرده و از مسیر خود منحرف می‌شوند و به دنبال آن نرخ لایه نشانی کاهش می‌یابد و همچنین باعث آلودگی زیاد محفظه نیز می‌شود. از طرفی در این روش نرخ کنده شدن ذرات از روی کاتد بیش‌تر از نرخ لایه نشانی بر روی سطح جسم است. | ## جمع‌بندی | این روش زمانی کاربرد دارد که زدایش‌های نامنظم و در راستای عمود بر جسم مطلوب باشند.