دانلود مقاله بررسی تاثیر تغییرات سرعت چرخش زیرلایه بر موفولوژی لایههای نازک تنگستن نانوستون ساخته شده به روش ترکیبی

بخشی از مقاله

چکیده

در این پژوهش، لایه هاي نازك متشکل از نانوستونهاي تنگستن به روش ترکیبی اسپاترینگ فرکانس رادیویی- تحت زاویه خراشان و زیرلایه چرخان((GLAD در سرعتهاي متفاوت بر سطح زیرلایه Si(100) لایهنشانی شدند. سپس تغییرات مورفولوژي لایه ها با تکنیکهاي میکروسکوپ الکترونی روبشی((SEM و همچنین میکروسکوپ نیروي اتمی((AFM مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. براساس تحلیل نتایج بهدستآمده، افزایش دور موتور منجر به کاهش زبري جذر میانگین((Rrms سطح نمونهها و همچنین اندازه دانهها گردید. حداقل میانگین اندازه دانه در سطح، براي نمونه تهیه شده در30 rpm برابر 58 nm بدست آمد.

.

مقدمه

امروزه با توجه به کاربردهاي گستردهاي که مواد و قطعات در حوزه فناوري نانو پیدا کردهاند، پژوهشهاي زیادي بر روي موضوعاتی هم چون بهینهسازي خواص نانوساختارها و درك و شناخت دقیق از مکانیزم رشد لایههاي نازك و همابداعچنین کاربردهاي جدید آنها، انجام میشودمعمولاً. راهکارهایی که براي ساخت نانوساختارها در پیش گرفته می شود، عبارت از یک مرحله

ساخت اولیه و سپس انجام عملیات حرارتی بر روي آن میباشد. لذا استفاده از راهکاري که بتواند طی یک مرحله بدون پخت، نانوساختار دقیق مورد نظر را تولید نماید، بسیار حائز اهمیت است. علاوه بر آن واضح است که خواص لایه هاي نازكعمدتاً به ترکیب شیمیایی، ساختار کریستالی و مورفولوژي آنها بستگی دارد. لذا با فراهم آوردن شرایط مشخص و ویژه، می توان لایه هاي نازك با مورفولوژي ستونی و ساختار کنترل و مهندسی شده، تهیه

۶۲

نمود. لایهنشانی به این روش یعنی لایهنشانی زیرلایه چرخان تحت زاویه خراشان شار ذرات یا GLAD1، تکنیک نوینی است که براي ساخت لایههاي نازك با استفاده از اثر سایهاندازي اتمی در زوایاي لایهنشانی به شدت کج، ساختارهاي متخلخل ستونی در مقیاس نانومتر و میکرومتر قابل تهیه و رشد میباشد. در این روش، میتوان با کنترل پارامترهاي رشد، ساختارهاي از پیش طراحی شده را بدست آورد.[1] این تکنیک کاربردهاي گوناگونی همچون گسیلگرهاي تابش میدان [2]، پوشش هاي ضد حرارتیو[3] سطوح آب گریز [4] دارد.

در این پژوهش، ساختارهاي ستونیشکل تنگستن در یک مرحله (بدون پخت) و با استفاده از روش ترکیبی اسپاترینگ فرکانس رادیویی( GLAD -(RF بر روي زیرلایه سیلیکان Si(100) در سرعتهاي متفاوت چرخش زیرلایه، لایهنشانی شدند. سپس نتایج آنالیزهاي میکروسکوپ الکترونی روبشی ٢(SEM) و میکروسکوپ نیروي اتمی (AFM)3 براي مطالعه چگونگی موفولوژي لایههاي تهیه شده، بکار گرفته شد که نتایج آن در ادامه ارائه میشود.

بخش تجربی

دستگاه مورد استفاده براي فرآیند لایهنشـانی ، دسـتگاه مرکـب اسپاحترینگارتی- تبخیر Alcatel با قابلیـت اسـپاترینگ DC، RF و بایاس بود که با افزودن یک موتور پلـه اي بـراي چرخانـدن زیر لایهنشانی،امکان لایه GLAD فراهم گردید. موتور ساختهشـده درجات آزادي اضافی را در اختیار پژوهشـگر قـرار داد کـه شـامل موارد زیر است: تغییر فاصله مـاده هـدف و زیرلایـه، زاویـه قـرار گیري زیرلایه نسـبت بـه شـار فـرودي ذرات و سـرعت چـرخش زیرلایه. سرعت چرخش زیرلایـه بـا تنظـیم ولتـاژ دو سـر موتـور بصورت بینپلهاي تا 30 2 دور بر دقیقه قابل تنظیم بود.

1 - Glancing Angle Deposition 2 - Scanning Electron Microscopy 3 - Atomic Force Microscopy

زیرلایههاي سیلیکان با ابعـاد 11×11 mm 2 پـس از شستشـوو تمیز کردن سطوح آنها توسط روش RCA در دستگاه اسـپاترینگ قرارداده شدند و با ایجاد محیط خلأ در محفظه لایـه نشـانی و پـر کردن آن از گـاز آرگـون و عملیـات 5 دقیقـه اي پـیشاسـپاترینگ، فرآیند لایهنشانی انجام شد. در تمام مراحـل اصـلی نمونـهسـازي فشـار زمینـه دسـتگاه کمتـر از 4×10- 7 Torr بـود. بـراي عمـل لایه نشانی نیز از گاز آرگون با فشار 1×10- 2 Torr بهره گرفته شد. این شرایط به همراه دیگر پارامترهاي ثابت لایه نشانی در جـدول 1 ارئه شده است. زاویه 85 درجه از آن جهت انتخاب گردید کـه در گزارش هـاي متعـددي، ایـن زاویـه بهتـرین موقعیـت بـراي رشـد نانوســاختارهاي نــانومیلــهاي گــزارشهمچنــینشــده اســت.[1]

هیچ گونه عملیات حرارتی حین یا بعد از رشد بـرروي لایـه انجـام نگرفت. دور موتور استفاده شده در بـازه 6 الـی 30 rpm انتخـاب گردید.

به منظور مطالعه دقیق توپوگرافی، متوسط زبري و پستی و بلنـدي سطح لایههاي نازك تنگستن در ابعاد نانومتري، از تکنیـک AFM استفاده گردید. دستگاه AFM مورد استفاده شده ( شرکت Park

Scientific مـدل Research (CP، در شـرایط معمـول هـوا و
دماي اتاق کـار مـیکنـد. سـوزن آن از جـنس سـیلیکان (Si) بـه
قطرحدود 10 nm در مد تماسـی اسـت. بـراي مطالعـه تصـاویر
گرفته شده و محاسبه خواص آماري سطح از برنامه ProScan1.7
Image Analysis 2.1 استفاده گردید.
همچنین براي محاسبه زبري، جذر میـانگین مربـع4، Sq، از رابطـه
زیر استفاده گردید: 2 M 1 N 1 1

(1)  Zxk,yl Sq 
MN
K 0 l 0

که در آن N , M تعداد نقاط تصویر درهايجهوکمیت x وy

Z ارتفاع متوسط از سطح می باشـد. کمیـت μ از رابطـه زیـر نیـز

محاسبه شد: Zxk,yl 1 
(2)
M 1 N 1

k 0 l0 MN

4 - Root mean square

۷۲