بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله برای بررسی خواص الاستیکی لایه غشایی سیلیکان متخلخل با تخلخل های متفاوت از دستگاه پراش اشعه ایکس با دقت بالا استفاده شد و در این آزمایش ها مشاهده کردیم که خواص الاستیکی لایه غشایی مانند مدول یانگ و ریشه پواسون با افزایش تخلخل کاهش می یابد و کرنش عمودی به علت اختلاف زاویه ای بین لایه غشایی نانوساختارهای سیلیکان متخلخل با زیرلایه اش افزایش می یابد ما در نمونه هایمان با افزایش تخلخل به علت انحنای ایجاد شده در زیرلایه سیلیکان و عدم انطباق شبکه، روند افزایشی را برای انبساط شبکه ای در جهت عمود بر زیر لایه مشاهده کردیم.
مقدمه
در سال های 1970 و 1980 توجه زیادی به سیلیکان متخلخل به علت مساحت سطحی بالای آن نسبت به سیلیکان و ساختار شبکه ای یکسانشان ایجاد شد که این خود به عنوان مدلی از سطح سیلیکان بلوری در مطالعه های طیف سنجی مفید است ، علاوه بر این، سیلیکان متخلخل با ساختار اسفنجی دارای مساحت سطح ویژه بالا، حساس به هوای محیط مناسب برای حسگرهای مایعات و گازها می باشد که دلیل فیزیکی آن، ناشی از ساختار شکننده و الاستیسیته کوچک آن نسبت به سیلیکان است
پراش اشعه ایکس یک روش غیر مستقیم برای مطالعه درجه بلورینگی در لایه متخلخل است. برای نانوساختارها، طیف سنجی پراش ایکس یک روش مناسب و غیر مخرب، جهت اندازه گیری کرنش و ریز کرنش ها خواهد بود. یکی از قابلیت های این پراش سنجی حساسیت آن نسبت به کرنش و گرادیان کرنش در پارامتر شبکه ای بین دو لایه می باشد. با تنظیم پراش ایکس دقت بالا و استفاده از اسکن امگا یا اسکن منحنی سختی می توان قله های
براگ لایه و زیرلایه را مشخص کرد.
کرنش متوسط روی تمام حجم فیلم باعث انتقال در قله های پراش خواهند شد. ماکروکرنش ها از ازدیاد طول یا فشرده سازی حاصل می شود درجه ی تغییر شکل بلورک در جهت های مختلف با مشخصه های الاستیکی ماده مرتبط است
اندازه گیری کرنش متکی بر برهمکنش بین امواج پرتوی ایکس با شبکه بلوری می باشد. ماده ی بلورین که از تعداد زیادی بلور ساخته شده است به آرایه ای از اتم ها در الگوی دوره ای سه بعدی می تواند باعث تداخل سازنده و یا غیر سازنده با موج فرودی شوند که به طول موج فرودی و فاصله ی صفحه ای وابسته است. پراش دقت بالا یک روش مناسب برای تعیین دقیق پارامترهای شبکه ای، تنش و کرنش لایه 36 می باشد که از اندازه گیری های دیفرانسیل زاویه پراش براگ بدست می آید.
روش ساخت نمونه
لایه متخلخل روی ویفر سیلیکان نوع P آلائیده با بورن و جهت بلوری [100] و ضخامت 525 میکرون با مقاومت ویژه 1-5 اهم سانتی متر تشکیل می شود. برای ایجاد اتصال اهمی قسمت مات را با آلومینیومی به ضخامت 1 میکرون با دستگاه تبخیر حرارتی در خلا 10-5 mbar لایه نشانی می کنیم. بعد از لایه نشانی، نمونه ها را در کوره با دمای 400 درجه سانتی گراد به مدت نیم ساعت با آهنگ افزایش دمایی حدود 20 درجه سانتی گراد در دقیقه پخت می دهیم. نمونه ها توسط سونش الکتروشیمیایی در محلول الکترولیت اسید هیدروفلوریک با غلظت 40% و اتانول با نسبت حجمی - 1:1 - با چگالی جریان ثابت 20 میلی آمپر بر سانتی متر مربع و در زمان های خوردگی 10،20،30،40 دقیقه تهیه شده اند.
بحث ونتایج
اصول تعیین کرنش در یک بلور با استفاده از رابطه براگ می باشد اگر فاصله صفحات شبکه ای d باشد، در حالت کرنش یافته این فاصله صفحات با توجه به رابطه براگ به اندازه ی G تغییر می کند، دیفرانسیل رابطه براگ به ازای طول موج ثابت بدست می آید رابطه ی تقریبی کرنش را نتیجه می دهد
λ طول موج پرتو ایکس، زاویه براگ، n مرتبه پراش می باشد. زاویه براگ به اندازه جابه جا می شود که میزان تغییر نسبی فاصله صفحات شبکه ای در راستای عمود بر دسته صفحات با فاصله ی G است، که در اینجا مقدار کرنش عمودی در لایه غشایی متخلخل با انبساط پارامتر شبکه برابر است با:
که در آن - si ps - . دستگاه پراش ایکس به کار رفته برای طیف سنجی وضوح بالا [ʼSHUW pro MPD - ساخت شرکت - PANalytical برای انجام اسکن امگا به کار رفته است. در این پژوهش چون برای دستگاه پراش ایکس مورد استفاده قابلیت چرخش نمونه امکان نداشت آشکارساز را در راستای زاویه براگ ثابت نگه داشته ولی منبع با تغییر زاویه ای در دو جهت حرکت می کند گام های زاویه ای برای تعیین زاویه ی براگ با دقت 0/02 درجه و مطابق شکل 1 اسکن امگا حول زاویه ی براگ با دقت 0/005 درجه اندازه گیری می شود.
برای بدست آوردن منحنی سختی نمونه ها باید انحراف - جابجاسازی - نمونه ها را تعیین کرد به طور کلی شکل توپوگرافی سطحی هر نمونه یک انحراف دارد که برای تعیین آن مقدار offset های مثبت، منفی و صفر آزمایش می شود و هر جا که قله براگ دیده شد، offset منحنی می گردد. همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود قله براگ در سیلیکان متخلخل در offset صفر دیده شد. در اسکن امگا و بدست آوردن منحنی سختی آشکارساز را ثابت نگه داشته و بنابراین زاویه پراش - - 2 ثابت است و تیوپ اشعه ایکس مکانش تغییر می کند در حالت کلی رابطه ی زیر بین 2 وω و offset برقرار است:
شکل:1 اسکن امگا یا منحنی سختی نمونه .PS2 که با قرار دادن مقدار صفر برای offset می بینیم که برای نمونه
های های ما خواهد شد.
در تحلیل الگوی پراش اشعه ایکس نمونه هایمان شاهد دو قله با پهن شدگی و شدت های متفاوتی بودیم که ناشی از حضور نقص های ساختاری همچون دررفتگی ها در بین دو لایه و عمل واجذب هیدروژن، انقباض در سطوح لایه ها هستیم
شکل 2 نشان می دهد قله سیلیکان متخلخل در زاویهی 68/69550 با شدت 2759 ناشی از صفحات - 400 - و قله سیلیکان در زاویهی 69/03050 با شدت 147,794 ناشی از صفحات - 100 - دیده میشود.
شکل:2 الگوی پراش اشعه ایکس با دقت بالا نمونه . PS2
در جدول 1 نتایج ما نشان دادند که با گذشت زمان اندازه حفره ها افزایش یافته به طوری که این افزایش در اندازه حفره ها باعث افزایش میزان تخلخل در نمونه ها می شود.
جدول: 1 مشخصات نمونه های ساخته شده.
در تمام نمونه ها میزان تخلخل و اندازه حفره ها را با استفاده از تصاویر FESEM و به کار گیری نرم افزار Microstructure Measurement اندازه گیری کردیم. همانطور که در جدول1 نشان داده شده اندازه حفره ها به طور متوسط زیر 20 نانومتر بدست آمده اند.
خواص الاستیکی لایه غشایی
در انتهای فرآیند تشکیل سیلیکان متخلخل، جریان یا زمان خوردگی اگر قطع شود لایه متخلخل نگهداشته شده توسط زیرلایه سیلیکان با حفره هایی که از یک سر بسته اند تشکیل می شود ولی اگر جریان یا - زمان خوردگی - افزایش یابد تا وارد ناحیه الکتروپولیش شویم به طوری که دیواره های سیلیکان در انتهای حفره ها حل شده لایه غشایی با حفره هایی که از دو انتها باز هستند تشکیل می شود. در این مقاله به بررسی لایه غشایی - با زیر نویس - m می پردازیم. با اندازه گیری میزان تخلخل لایه مورد نظر و با توجه به روابط - 6 - و - 7 - مقدار مدول یانگ و ریشه پواسون بدست می آید
در روابط بالا p میزان تخلخل است و Es مدول یانگ سیلیکان و p و E p ریشه پواسون و مدول یانگ سیلیکان متخلخل است. تشکیل لایه سیلیکان متخلخل در ویفر سیلیکان تولید یک خمیدگی الاستیکی در نمونه می کند در حالیکه سیلیکان دچار برآمدگی می شود. شعاع انحنای زیرلایه مربوط به لایه نگه داشته شده توسط زیرلایه با رابطه - 8 - داده می شود
