بخشی از مقاله
مقدمه
رسوب گذاري فیلم هاي نانو کریستال الماس بخش بزرگی از توجهات را در سال هاي اخیر به خود جلب کرده است. گرچه کاربردهاي بسیاري براي فیلم هاي میکروکریستالی الماس به ضخامت 1mm وجود دارند اما فیلم هاي نانوکریستالی الماس به ضخامت زیر µm١با تناوب بیشتري استفاده می شوند.[1] الماس به خاطر خواص بی نظیرش از قبیل تحرك پذیري بالاي الکترون و حفره، قدرت بالاي میدان شکست و انرژي گاف بزرگ (5/5 eV)
شناخته می شود و از اینرو یک ماده ساختاري ایده ال براي ابزارهاي الکترونیکی با کارآیی بهتراست.[2] به علاوه الماس یک ماده جذاب در زمینه هاي کاربردي بسیاري به علت سختی بالا و رسانندگی گرمایی بزرگش است و نیز خواص شیمیایی پایدار و مطالعات بسیاري که برروي رشد و خواص فیزیکی گوناگون به
ویژه خواص الکتریکی وابسته به کاربردهاي الکترونی اش انجام گرفته است .[3] رسوب گذاري بخار شیمیایی (CVD) براي رشد الماس در سال هاي اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. فیلمان داغ رسوب گذاري بخار شیمیایی [4](HFCVD) ، CVD
پلاسما همانند میکروویو [5](MWCVD) یا جریان مستقیم
[6](DC-CVD) براي رشد فیلم هاي پلی کریستال الماس برروي زیرلایه هاي همبافت مانند Si(100) به کار گرفته شده اند. در میان روش هاي گوناگون CVD ، HFCVD یکی از رایج ترین روش ها به سبب هزینه سرمایه اي پایین و توانایی افزایش مقیاس اش بوده است. در طول سیستم HFCVD ، انواع گوناگون گاز شکل گرفته در نزدیک فیلمان و برروي آن و انتقالشان به زیرلایه نقش مهمی را دررشد فیلم الماس بازي می کند7]و.[8 به علت کارآیی بالا ، راحتی در اداره کردن و نیازهاي ساده در تجهیزاتش،
95
HFCVD به طور گسترده اي در سنتز الماس استفاده شده است. تسهیلات HFCVD می تواند به آسانی به روز شود ، مانند به کار بردن بایاس مستقیم و DC پلاسما 9]و.[10
جزییات آزمایش
در این پروژه نمونه ها ویفرهاي Si(100) نوع p در ابعاد 1cm ˟1cm هستند.
به هنگام تغییر زمان رشد؛ نسبت شار مجموع گازهاي ورودي به سیستم ثابت وهمچنین به هنگام تغییرنسبت شار مجموع گازهاي ورودي به سیستم ثابت باقی می ماند. ف
ف
جدول .1 شرایط دستگاه در مرحله Etching
Gas Flow Tf Ts Pw Disf Po
(sccm) (oC) (oC) (Torr) (mm) (Torr)
١٠٠ ١٧٠٠ ٠۵۵ ٢-۵ ١٠ ۵-١٠
ف
ابتدا نمونه ها را در دستگاه آلتراسونیک1 با استون، اتانول و آب مقطر هرکدام به مدت 10دقیقه فرا صوتی می کنیم، تا نمونه ها ازهر گونه آلودگی پاك شوند. سپس نمونه ها را بوسیله دستگاه HFCVD به مدت 15دقیقه با گاز H2 حکاکی (یا (Etching می کنیم. شرایط دستگاه در این مرحله در جدول1 ، در زیر آمده است.
در مرحله رشد، ابتدا زمان رشد در 4 نمونه اول را به ترتیب در 15، 30، 45 و 60 دقیقه در دستگاه HFCVD تغییر داده ایم. سپس در 4 نمونـــه دوم نســـبت شـــارگازهاي ورودي بـــه سیســـتم
+ H2 )۴/ CH۴( CH را بــه ترتیــب در 1/10، 1/9، 1/8 و 1/7
تغییرداده ایـم.}مخلـوطی از گازهـايH2نCH4/CH4 بـه نسـبت 1/10 یعنی 270sccm ازگازH2 و 30sccm ازگاز CH4 (درمجموع .{(300sccm مشخصات دستگاه در ایـن مرحلـه در جـدول 2 در زیر آمده است.
جدول .2 شرایط دستگاه در مرحله رشد
Gas Flow Tf Ts Pw Dis f Po
(sccm) (oC) (oC) (Torr) (mm) (Torr)
٣٠٠ ٢٠٠٠ ٠٠۶ ١٠ ١٠ ۵-١٠
1 ultrasonic
سرانجام پس از رشـد لایـه نـانو الماسـی بـرروي نمونـه هـا، آنالیزهاي AFM,RAMAN,XRD انجام شد.
نتایج و بحث
نتیجه آنالیز AFM انجام گرفته برروي کلیه نمونـه هـا پـس از حکاکی (یا (Etching که در شکل 1 آمده است، نشان می دهد که میزان زبري متوسط سطح برابر با 11/7621 نانومتر است. مشـاهده می کنیم که بعد از فرایند Etching متوسط زبـري سـطح افـزایش یافته است که به معنی افزایش مراکـز هسـته زایـی بـرروي سـطح است. این امر نشانگر اینست که فرایند رشد امکان پذیر است. اگـر زبري مناسب برروي سطح نداشته باشیم و سطح صاف باشد، آنگاه فرایند رشد به دلیل عدم وجود مراکز هسته زایـی بسـیار مشـکل و حتی در مواقعی غیر ممکن می شود.
98.47 nm
0.00 nm
شکل .1 تصویر سه بعدي AFM از سطح نمونه پس از Etching
آنالیز AFM انجام شده برروي نمونه ها در زمان هاي رشد بـه ترتیب 15، 30، 45 و60 دقیقه نشـان مـی دهنـد کـه میـزان زبـري متوسط در سـطوح آنهـا بـه ترتیـب برابـر 13/0121 ، 16/1723 ، 12/6366 و 15/6332 نــانومتر اســت. تصــویر AFM مربــوط بــه نمونه رشد یافته در 30 دقیقه در شکل2 در زیر آمده است.
119.77 nm
0.00 nm
شکل .2 تصویر سه بعدي AFM از سطح نمونه پس از 30 دقیقه رشد
96
هرگاه نمودار زبري متوسط سطح مربوط بـه ایـن 4 نمونـه بـر حسب زمان رشد را در یک دستگاه رسم کنیم، با نمودار 1 در زیـر مواجه می شویم.
نمودار .1 زبري متوسط سطح مربوط به 4 نمونه اول بر حسب زمان رشد
با توجه به نمودار و تصاویر AFM به دست آمده، مشاهده می کنیم که با افزایش زمان از 15 به 30 دقیقه؛ هسته هاي اولیه ایجاد شده رشد یافته اند و به این ترتیب منجر به افزایش زبري سطح شده و از طرفی با توجه به هسته زایی هاي مجدد که در طول فرایند اتفاق افتاده است منجر به ایجاد ذرات جدید شده است و از اینرو ما شاهد افزایش تعداد ذرات و نیز کاهش محدوده ذرات بوده ایم که در نتیجه همه این موارد باعث می شود تا زبري سطح افزایش یابد. اما با افزایش زمان به 45 دقیقه؛ افزایش محدوده ذرات و نیز افزایش میانگین سایز ذرات به دلیل رشد ذرات و همپوشانی برخی ذرات با یکدیگر تعداد ذرات کاهش یافته و سطح از نظر زبري با کاهش مواجه می شود. در ادامه با افزایش زمان به
