بخشی از مقاله
چکیده
لایه های شبه الماس - DLC - دارای ویژگی های قابل توجهی می باشند بدین منظور در این مقاله از یک سیستم مغناطیسی رسوب نشانی بخار شیمیایی با پلاسما - MPECVD - برای رسوب نشانی لایه های کربن شبه الماس بدون از دست رفتن کیفیت لایه ها استفاده شده است. در روند آزمایش از یک میدان مغناطیسی عمود بر میدان الکتریکی در سیستم - MPECVD - که به منبع رادیو فرکانسی - RF - متصل شده است، استفاده می شود .
نکته قابل توجه این است که بیشتر ترازهای یونیزاسیونی که در این سیستم حاصل می شوند، در ولتاژهای بسیار پایین شبکه خودکار، و سرعت رسوب نشانی بالا رخ می دهند . همچنین سرعت رسوب نشانی لایه های DLC با استفاده از سیستم MPECVD در مقایسه با مورد بدون میدان مغناطیسی افزایش می یابد . ویژگی های لایه های DLC رسوب نشانی شده با سیستم MPECVD نیز بهتر می شود آنها در مقایسه با لایه های DLC رسوب نشانی شده با سیستم PECVD متداول استحکام و مدول یانگ بالا و نیز ناهمواری کمتری دارند.
مقدمه
لایه های کربن شبه الماس - - DLC دارای خصوصیات قابل توجه بسیاری هستند از قبیل مکانیک بسیار سخت، استحکام دی الکتریک، خوردگی واصطکاک پایین و شفافیت نوری در محدوده مادون قرمز که این خصوصیات نوید دهنده یک محدوده وسیع کاربردی در زمینه الکترونیکی، م کانیکی، اپتیکی و بهداشتی برای لایه های DLC می باشند . لایه های DLC می توانند بوسیله روشهای گوناگونی رسوب نشانی شوند که در این میان دیودهای فرکانس رادیویی - RF - بیشتر از هر نوع دیگری از تخلیه های پلاسما برای فرآوری مواد مورد استفاده قرار می گیرند و مزایای قابل توجهی نسبت به دیگر تخلیه های الکتریکی ارائه میدهند.
سیستم آنها ساده است و طرز عمل آنها به دلیل معقولانه بودن خوب فهمیده می شود . ولتاژهای پیوسته بالا می تواند منجربه صدمه دیدن زیرلایه و از دست رفتن کنترل پهنای باند شود پلاسمای با شدت پایین نیز در سرعت پایین فرآیند و استفاده کمی از گاز حاصل می شود.بیشتر از همه تکنیک های دیگر، روش-RF PECVD برای رسوب نشانی لایه های DLC یا پوشش دهی به واسطه یک هیدروکربن به عنوان گاز پیش داده مرسوم شده است .
از آنجایی که رسوب نشانی مستلزم پایین آمدن دمای زیر لایه است، گاز تجزیه همراه پلاسما دمای زیرلایه را کاهش می دهد، پایین آوردن دمای زیرلایه این امر را ممکن می سازد تا هیدروژن کافی در طی رسوب نشانی ترکیب شود . تحت شرایط معین پلاسمای تحریک شده، بمباران یونی در جهت لایه در طول رسوب نشانی به بهتر کردن کیفیت لایه متمایل می شود .
در PECVD متداول سرعت رسوب نشانی معمولأ پایین است . لایه DLC یک نمونه بارز از تولید در یک سرعت رسوب نشانی از 1 تا 5 نانومتر بر دقیقه - nm/min - در محدوده فشار 10-100 Torr و در شدت توان 1 w/cm2می باشد. گمان می رود افزایش سرعت رسوب نشانی یک راه برای کاهش زمان تولید و کم کردن هزینه ساخت باشد لذا افزایش شدت پلاسما یک روش مؤثر برای بالا بردن سرعت رسوب نشانی به نظر می رسد
در سیستم PECVD متداول شدت پلاسما با افزایش توان ورودی RF افزایش می یابد که با توجه به نتایج مشاهده می شود افزایش توان ورودی RF در یک ولتاژ پوششی بالا - ولتاژ شبکه خودکار - DC باعث بدتر شدن کیفیت لایه می شود که ناشی از انرژی بالای یونی است که باعث ایجاد لایه های گرافیت مانند زیادی می شود
بنابراین افزایش توان RF برای زیاد کردن شدت پلاسما در سیستم داده شده دارای محدودیت استفاده است . می توان از یک میدان مغناطیسی برای محبوس کردن پلاسما استفاده کرد به عبارت دیگر می توان با اثرگذاری در شدت پلاسما و انرژی یونی و اصلاح کردن تخلیه تابناک فرآیند رسوب نشانی، بدون تعویض کردن دیگر پارامترهای رسوب نشانی پلاسما را محدود کرد
محدود کردن پلاسما بوسیله میدانهای مغناطیسی، آلودگی لایه از روی دیواره ها را به حداقل می رساند، همچنین لایه رسوب نشانی شده بر روی دیواره ها را کاهش می دهد و می تواند یک میدان الکتریکی یکنواخت ایجاد کند . افزایش کاربرد میدان مغناطیسی موازی با سطح زیرلایه در طی تخلیه تابناک به طور موثر در افزایش چگالی پلاسما مورد بررسی قرار گرفته است که در واکنش حک زنی یونی رسوب نشانی با کیفیت بالای لایه Si:H در
سرعت بالا و رسوب نشانی c-BN مورد استفاده قرار گرفته است. اگر چه رسوب نشانی و ویژگی های لایه DLC با استفاده از MEP-CVD واضح نیست لذا در این کار فرآیند رسوب نشانی و ویژگی های لایه های DLC رسوب نشانی شده با یک سیستم MEPCVD تحت اثر شرایط گوناگون توضیح داده خواهد شد. که منجر به تولید لایه های کربن شبه الماس با کیفیت بالای مورد استفاده در ساخت ترانزیستورها و دیود ها می شود
جزئیات آزمایش
یک نمونه شماتیک از سیستم رسوب نشانی در شکل 1 نشان داده شده است. فشار پایه کمتر از 5 10 5Torr است که بوسیله یک پمپ توربو مولکولی ایجاد می شود. محفظه رسوب نشانی شامل یک سیلندر به قطر 20 cm و ارتفاع 40 cm از فولاد ضد زنگ می باشد. الکترود زیرلایه 14 cm ضخامت دارد که با آب خنک می شود و به یک ژنراتور RF وصل شده که فرکانس برانگیختگی RF، 13.56 MHz می باشد. توان RF بین زمین200Ga
شکل:1 شکل شماتیکی از سیستم رسوب نشانی.
و الکترود زیرلایه که در مرکز محفظه قرار دارد به کار برده می شود. الکترود زیرلایه تابع یک ولتاژ شبکه خودکار مثبت DC، Vb می باشد. حداکثر میدان مغناطیسی بکار رفته در سیستم برابر با می باشد همچنین سیلیسیم Si - 100 - جلا داده شده با ضخامت 0.3 mm به عنوان زیرلایه استفاده می شود. متان خالص 99.995 درصد به عنوان گاز اشباع برای رسوب نشانی لا یه DLC استفاده می شود که در طی فرآیند رسوب نشانی فشار متان در 20 mTorr و دمای زیرلایه در دمای اتاق یعنی حدود 20 درجه سانتیگراد نگه داشته می شود . بعد از رسوب نشانی ضخامت، سختی و مدول یانگ لایه های DLC مورد اندازه گیری قرار می گیرد. خصوصیات و بررسی ریخت لایه رسوب نشانی شده توسط میکروسکوپ نیروی اتمی - AFM - قابل مشاهده است . چون ناهمواری های سطح به ضخامت لایه DLC مربوط می شود لذا برای مقایسه حالات رسوب نشانی مختلف ضخامت لایه ها را با کنترل زمان رسوب نشانی تقریباً برابر می گیریم.
نتایج و تشریح مطالب
الکترود زیرلایه تابع ولتاژ شبکه خودکار DC منفی Vbمی باشدکه این هم بوسیله تغییر توان ورودی RF کنترل می شود . ولتاژ شبکه خودکار همان گونه که توان RF افزایش می یابد بصورت مثبت افزایش می یابد که این ناشی از افزایش یونیزاسیون در پلاسما با بالا رفتن توان ورودی می باشد. زمانیکه یک میدان مغناطیسی به کار برده می شود، Vb برای برخی حالات افت می کند . تغییرات Vb در برابر شدت ورودی RF در نبود میدان مغناطیسی و در حضور میدان مغناطیسی در شکل شماره 2 نشان داده شده است. چنانچه مشاهده می شود شدت ولتاژ شبکه خودکار زمانیکه میدان مغناطیسی در حدود 100 Ga است در حضور میدان مغناطیسی در حدود 100 V کاهش می یابد که این ناشی از گسستگی بالای یونها در افزایش مغناطیسی پلاسما است .
در یک توان ورودی RF ثابت با افزایش میدان مغناطیسی، Vb کاهش می یابد ضمن اینکه سرعت رسوب نشانی لایه DLC افزایش می یابد. سرعت رسوب نشانی و Vb وابسته به میدان مغناطیسی وقتی توان ورودی RF برابر با 40 W است در شکل های شماره 3 و 4 نشان داده شده است. در غیاب میدان مغناطیسی Vb برابر 180 ولت و سرعت رسوب نشانی برابر با 2.4 nm/min می باشد، بعد از به کار بردن میدان مغناطیسی با مقدار 200 Ga ، Vb به 65 ولت کاهش می یابد و سرعت رسوب نشانی نیز به 24 nm/min افزایش پیدا می کند. مشاهده می شود سرعت های رسوب نشانی حدود ده برابر با هم تفاوت دارند. در مرحله مقایسه رسوب نشانی و ویژگی های لایه تفاوت دارند.
شکل:2 تغییرات Vb در برابر شدت ورودی RF در نبود میدان مغناطیسی و در حضور میدان مغناطیسی.
شکل:3 سرعت رسوب نشانی وابسته به میدان مغناطیسی وقتی توان ورودی RF برابر با 40 W است
شکلVb:4 وابسته به میدان مغناطیسی وقتی RF برابر با40 W است
