بخشی از مقاله
چکیده
لایه نازک نیمرسانای سیلیکون کرباید به دلیل خواص اپتوالکتریکی، مکانیکی، حرارتی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این ماده با روشهای مختلفی از جمله PECVD,LPCVD,HWCVD و روشهای دیگر لایه نشانی میشود.روش HWCVD روشی مبتنی بر سیم داغ در محفطه لایه نشانی، از پیش ماده های گازی میباشد. در این مقاله تاثیر فشار جزیی ناشی از گازهای واکنش دهنده بر ضریب شکست لایه های نازک سیلیکون کرباید - SiC - مورد بررسی قرار گرفته است. طیف عبوری UV-VIS-NIR جهت محاسبه ضریب شکست لایه ها به کار گرفته شد. نتایج نشان داد که افزایش غلظت گازهای واکنش دهنده سبب تغییر خواص اپتیکی شده است که ناشی از تغییر ساختار در نمونه ها میباشد. این تغییر ساختار در طیف FT-IR بدست آمده از نمونه ها کاملا تایید میشود.
مقدمه
درمیان تمام آلیاژهای نیمرسانا سیلیکون کرباید - SiC - از گروهIV-IV جدول تناوبی دارای خواص منحصر به فردی میباشد که از آن جمله میتوان به گاف انرژی قابل کنترل، تحمل فرکانس بالا،تحمل و قابلیت انتقال حرارت بالا و سختی مکانیکی خوب اشاره نمود. از این رو کاربردهای وسیعی در قطعات اپتوالکترونیکی،سلول های خورشیدی و دیودهای گسیل نور آبی دارند.[1-5]روش رسوب بخار شیمیایی سیم داغ - HWCVD - از جمله روش های لایه نشانی آلیاژهای نیمرسانا محسوب می شود که در آن از یک سیم تنگستن یا تیتانیوم داغ شده با ولتاژ بالا برای انجام واکنشهای گازی استفاده می شود .مزیت این روش در بهبود نرخ رسوب، امکان رسوب دهی زیرلایه با دمای پایینتر، آسان و ارزان
بودن و قدرت بیشتر در کنترل پارامترهای لایه نشانی است.[6-8]
علیرغم تحقیقات گسترده ای که در زمینه SiC انجام شده است،محاسبات نظری مربوط به خواص اپتیکی لایه های نازک SiC به روش HWCVD همچنان تلاش بیشتری می طلبد. در این مقاله ضریب شکست لایه های نازک SiC با استفاده از طیف عبوریUV-Vis-NIR و با به کارگیری چند روش نظری که در مقالات آمده است، تخمین زده شده است و لایه نازک SiC تهیه شده به روش HWCVD تحت مقادیر متفاوت از فشار کلی گازهای ورودی، دچار تغییر عمده ای در ساختار شده است. که میتواند ویژگی های اپتیکی لایه ها را نیز تحت تاثیر قرار دهد. محاسبه ضریب شکست لایه ها ازطریق نظریات ارایه شده در مقالات انجام گرفته است. محاسبه سایر ضرایب اپتیکی نیز از طریق محاسبه ضریب شکست امکان پذیرمیباشد.[10-15-16-17]
روشهای تجربی و محاسباتی
در این روش از یک سیم تنگستن سیم پیچ شده به قطر 0.5mm به طول 20mmدر فاصله 26mm از زیر لایه، در دمای 2000°C در محفظه خلا استفاده میشود که قبلا تحت جریان گاز هیدروژن تمیز میشود. زیر لایه و سیم در دماهای به ترتیب 300œC و 1900œC ثابت نگهداشته شد. برای این نمونه ها نسبت گاز سیلان به گازمتان به نسبت1:20 ثابت و فشار محفظه در80Pa ثابت نگه داشته شد. نمونه های تهیه شده درنسبت.های مختلف انجام و FP نام گذاری شد.ضخامت فیلم توسط پروفایلومتر مکانیکی KLA-TENCOR اندازه گیری شد. طیف تبدیل فوریه فروسرخ درطیف عبوری در 4000-400 cm-1 نیز توسط دستگاه طیف سنجPerkin-Elmer System 2000 انداره گیری شد.جزییات بیشتر مربوط به روش آزمایش در مقاله ی قبلی آمده است.[8]
ب-روشهای محاسباتی
در این بحث بستگی ضریب شکست به طول موج از روش های زیر بررسی خواهد شد.
.1 سوان پل
در این روش معمول با تقسیم طیف عبور UV-Vis-NIR به سه ناحیه جذب بالا ازطریق برون یابی نمودار طیف عبور، و عبور بالااز طریق معادلات - 1 - ، عبور متوسط از طریق معادلات - - 2 و با اندازه گیری مقادیر کمینه و بیشینه عبور در هر ناحیه، ضریب شکست در لایه های نازک را بخوبی تخمین می زند.
2 مانی فشیر
در سال 1976 منتشر شد و دقیقا منطبق بر محاسبات سوان پل درناحیه جذب و عبور متوسط می باشد.[10]
.3 دیویس
در این روش ابتدا مقدار ضریب شکست تخمین زده شده توسط روش دیگر مثلا مانی فشیر در معادله زیر استفاده می شود.mλ=2nd 3 ×که d ضخامت لایه نازک و m مرتبه پراش است و برای تداخلهای ویرانگر مشهود به شکل کمینه در طیف عبور UV-Vis-NIRمقادیر نیمه صحیح و برای تداخلهای سازنده مقادیر صحیح به خود می گیرد. سپس با تقسیم این مقادیر بر ضخامت اندازه گیری شده، مقدار ضریب شکست را تخمین میزنیم.[11]
.4نقشهای یکسان کروماتیک
این روش جدید توسط امام اسماعیل و همکارانش با استفاده ازدو کمینه و یک بیشینه میانی آنها در طیف عبور UV-Vis-NIRو بکار گیری معادلات زیر مقدار ضریب شکست را تخمین میزند.
بحث و نتیجه
شکل 1 طیف های عبورUV-Vis-NIR مربوط به نمونه ها رانشان می دهد که در آنها نقش های تداخلی بخوبی دیده می شود.با تغییر فشار کلی گازهای ورودی، همانگونه که از نتایج FTIRدر شکل2 واضح است غلظت قابل توجهی از Si-C در تمام لایه ها در 800cm-1 با نمایش یک قله تیز وجود دارد، گرچه رفته رفته با افزایش جریان گاز ورودی شدت این قله کاهش می یابد. این کاهش نوار جذب برای نمونه های 2 5/50-2/40-1 5/30 ازحالت تیز خارج شده و به قله های پهن تبدیل شد.
بعلاوه دوپیوند دیگر Si-H و C-H در حالتهای تکانشی به ترتیب در660cm-1 و1000cm-1 ظهور پیدا کردند. افزایش غلظت این دوپیوند همگام با کاهش و پهن شدن نوار Si-C بیانگر تغییر فاز لایه نازک SiC از حالت نانو بلورین SiC به فاز آمورف همگام با افزایش درصد فازهای کربن آمورف و سیلیکون آمورف می باشد .[18]افزایش غلظت کربن و نیز ساختار شیمیایی و بلوری لایه نازکSiC به وضوح در ضریب شکست تاثیرگذار است.این تاثیر در
