بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله، فیلمهای نازک تنگستن که بر روی زیرلایه استیل 304 بوسیله دستگاه پلاسمای کانونی نوع Mather کم انرژی - 2 kJ - لایه نشانی شدهاند بررسی شده است. نمونهها در موقعیتهای محوری مختلف 7 - ،10 و13 سانتیمتر نسبت به نوک آند - با استفاده از تعداد شاتهای یکسان 25 - شات - لایه نشانی شدهاند. از روی دیاگرامهای پراش پرتو ایکس - XRD - فیلمهای نازک لایهنشانی شده در موقعیتهای محوری مختلف، تغییرات درجه بلورینگی نمونهها بررسی و تحلیل شده است. همچنین نتایج حاصل از میکروسکوپ نیروی اتمی - AFM - جهت بررسی مورفولوژی سطح نمونهها مورد استفاده قرار گرفتهاند.
مقدمه:
بررسی فلزاتی همچون تیتانیوم، کروم و تنگستن به دلیل داشتن سختی بالا ، استحکام شیمیایی خوب و استحکام گرمایی و نقطه ذوب بالا از اهمیت ویژه علمی و صنعتی برخوردار هستند 1]و.[2 بطور خاص، گزارشات و بررسیهایی در مورد استفاده تنگستن به عنوان یک لایه سخت ارائه شده است .[3] همچنین بررسیهایی در مورد مشخصات اپتیکی و الکتریکی فیلمهای نازک تنگستن بر روی سیلیکون انجام شده است .[4] لایههای تنگستن دارای مشخصات مکانیکی و تریبولوژیکی - سختی و سایش - حائز اهمیتی نیز هستند .[5] به علت این ویژگیهای منحصر به فرد تنگستن، روشهای لایهنشانی مختلفی جهت تشکیل فیلمهای نازک تنگستن بکار گرفته شده است .[8-6]
دستگاه پلاسمای کانونی، دستگاهی است که در آن پلاسمای پالسی چگال - a1025 -1026 m- 3 - با دمایی بالا - a1-2 keV - و طول عمری کوتاه - در حدود چند نانو ثانیه - تولید میشود. از نظر تاریخی این دستگاه به عنوان دستگاه همجوشی هستهای در صورت استفاده از گاز کاری دوتریم جهت تولید نوترونهای سریع و پر انرژی - چند مگاالکترون ولت - و همچنین به عنوان یکی از منابع تولید پرتوهای ایکس سخت و نرم، یونهای پر انرژی و الکترونهای نسبیتی [9] مورد استفاده قرار گرفته است.
در سالهای اخیر از این دستگاه برای کاشت یون و لایهنشانی فیلمهای نازک، به عنوان یک کاربرد جدید، استفاده شده است .[12-10] دستگاه پلاسمای کانونی به علت برخی ویژگیهای خاص نسبت به روشهای دیگر، از جمله سرعت لایهنشانی بالا، فرایند لایهنشانی پر انرژی، عدم نیاز به گرم کردن زیرلایهها، میزان چسبندگی بالا بین زیرلایه و لایه و همچنین عدم نیاز به خلاء بالا میتواند روشی منحصر بفرد جهت لایهنشانی تلقی شود. ما در این مقاله به بررسی لایههای نازک تنگستن که بر روی زیرلایههای استیل 304، بوسیله دستگاه پلاسمای کانونی کم انرژی - 2 kJ - لایه نشانی شدهاند، خواهیم پرداخت. در ادامه نیز خواص ساختاری و مورفولوژی سطح نمونهها مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت.
مشخصات دستگاه و روش کار:
طرح کلی دستگاه پلاسمای کانونی استفاده شده در این آزمایش که دارای یک خازن - 10 میباشد و برای لایه نشانی تا اختلاف پتانسیل 20 kV شارژ شده است، در شکل - 1 - مشاهده میشود. سیستم الکترودی شامل یک آند مسی به طول 160 میلیمتر و قطر 20 میلیمتر است که با 12 میله مسی هم فاصله، هر یک به طول 140 میلیمتر و قطر 12 میلیمتر که تشکیل یک کاتد را میدهند، احاطه شده است. همچنین از یک استوانه عایق از جنس پیرکس به قطر داخلی 20 میلیمتر و ضخامت 3 میلیمتر که 35 میلیمتر از طول آند را پوشانده است به جهت جداسازی الکترودها از یکدیگر و تسهیل در تشکیل لایه جریان بین الکترودها استفاده شده است.
برای لایهنشانی تنگستن ، در نوک آند سوراخی به عمق 7 میلیمتر و قطر 19 میلیمتر تعبیه شده است که با ماده تنگستن پر شده است. الکترودها در یک محفظه خلاء که توسط یک پمپ روتاری تخلیه شده و سپس با گاز آرگون خالص تا فشار بهینه یک تور پر شده است، قرار گرفتهاند. میله های کاتد و محفظه خلاء به پتانسیل زمین وصل شدهاند. همچنین برای بررسی کیفیت فوکوس شدن پلاسما در نوک آند، از یک اسیلوسکوپ - Tektronix TDS 304 B 500 MHz - استفاده شده است.
پس از رسیدن به یک فوکوس مطلوب یونهای آرگون شتاب گرفته به سمت بالا، در اثر برخورد با زیرلایهها باعث آزادسازی بیدرنگ انرژی و در نتیجه گرم شدن سریع آنها میشوند. همچنین برخورد این یونهای پر انرژی با سطح زیرلایهها، باعث اچینگ و تمیز شدن سطح آنها قبل از لایهنشانی میشود. الکترونهای شتاب گرفته به سمت آند، پس از برخورد با سطح تنگستن قرار گرفته در نوک آند باعث کنده شدن آن از نوک آند میشوند که بر روی سطح زیرلایهها، لایهنشانی میشود.
زیرلایههای استیل که در ابعاد 10mm×10mm×1mm تهیه شدهاند، ابتدا بوسیله الکل به مدت 10دقیقه و پس آن به کمک استن به مدت 5 دقیقه در حمام التراسونیک، شستشو داده شدهاند. پس از اطمینان کامل از تمیز شدن زیرلایهها، آنها را بر روی نگهدارنده زیرلایهها نصب میکنیم. یک حائل متحرک - shutter - در مقابل زیرلایهها قرار گرفته است که پس از رسیدن به یک فوکوس مناسب از مقابل آنها کنار میرود و فرایند لایهنشانی از این پس آغاز خواهد شد. در این آزمایش پس از 10شات به یک فوکوس قوی رسیده و شاتر را از مقابل زیرلایهها برداشتهایم. همچنین در طی فرایند لایهنشانی، شات ها در بازه زمانی یک شات در هر دو دقیقه شلیک شدهاند.
طرح کلی دستگاه پلاسمای کانونی استفاده شده در این آزمایش
تمام نمونههای لایهنشانی شده در این آزمایش در معرض تعداد شاتهای ثابت قرار گرفتهاند 25 - شات - و فاصله بین زیرلایه و نوک آند، متغیر مورد بررسی است. مشخصات ساختاری همه فیلمهای لایهنشانی شده بوسیله طیف پراش اشعه ایکس - XRD - آنالیز شدهاند.
