مقاله ساخت لایه های نازک مس با استفاده از روش های الکترو انباشت ، الکترولس و تبخیر در خلاء بر زیرلایه سیلیکون و مقایسه ساختار آنها

بخشی از مقاله

چکیده

در این تحقیق لایههاي نازك مس بر زیرلایه نیمرساناي سیلیکون به سه روش الکتروانباشت، الکترولس و تبخیر در خلاء رشد داده شدند و ساختار آن ها با استفاده از دستگاه طیف پراش اشعه X مورد مطالعه و بررسی قرار گرفتند. سپس با استفاده از میکروسکوپ SEM ریخت شناسی وترکیب شیمیایی نمونه ها مطالعه و با یکدیگر مقایسه شد. نتایج نشان داد که لایه تولید شده به روش الکتروانباشت ساختاري دانهاي با اندازه متوسط کمتر از 200 nm، به روش تبخیر در خلاء لایه بسیار همگن و یکنواخت و به روش الکترولس ساختار لایه با توجه به دماي رشد متفاوت است و هموارترین نمونه در دماي 47 c ایجاد گردیده است.

مقدمه
تولید لایههاي نازك فلزي بر سطوح نیمرسانا کاربردهايفراوانی در حوزه الکترونیک، میکروالکترونیک، نانوالکترونیکواپتوالکترونیک دارد .[1] در چند دهه گذشته از آلومینیوم برايایجاد پوششهاي فلزي بر سطوح مختلف استفاده میشد اما در سالهاي اخیر مس به دلیل امتیازاتی از قبیل رسانندگی الکتریکیبسیار بالا جایگزین آلومینیوم شده است.[1-3  ]  روشهايمختلفی براي تولید پوششهاي فلزي روي سطوح وجود دارد ازقبیل انباشت به کمک بخار فیزیکی - PVD - ، انباشت به کمک بخار شیمیایی - CVD - ، انباشت با پالس لیزري - PLD - ، انباشتبه کمک باریکه پرتو ملکولی - MBE - ، الکتروانباشت، الکترولس وتبخیر در خلاء. در این مقاله رشد لایههاي نازك مس بر زیر لایه سیلیکون به سه روش الکتروانباشت، الکترولس و تبخیر در خلاء مورد بررسی قرار میگیرند و نتایج حاصله با هم مقایسه میشوند.

روش الکتروانباشت روشی ساده،همچنینکمهزینه وبا قابلیت انعطاف بالا نسبت به روشهاي مبتنی برخلاءاست.روش الکترولس نیز به دلیل سادگی، کم هزینهتوانمندبودن وبودن در ساخت پوششهایی با کیفیت مناسب وداشتن امتیازاتیمثل عدم نیاز به خلاء، انجام واکنش در فشار اتمسفر ودمايمحیط وقابلیت انباشت بر سطوح رسانا، نیمرسانا ونارسانا در سالهاي اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. روش تبخیر در خلاء نیز روش مناسبی براي تولید لایههاي نازك، یکنواخت و باکیفیت بالاست. در این تحقیق مس بر زیرلایه نیمرساناي سیلیکونبا سه روش نام برده شده رشد داده شد وساختار آن به کمک طیف XRD و مورفولوژي سطح با میکروسکوپ الکترونیروبشی SEM مطالعه شد.

بررسی تجربی

دراین بخش روش تجربی ساخت لایه نازك مس برزیرلایهنیمرساناي سیلیکون به روشهاي الکتروانباشت، الکترولس وتبخیر درخلاء به طورمختصرشرح داده میشود.

-1 الکتروانباشت

روش الکتروانباشت روشی شیمیایی مبتنی برقانون فارادي است:

جرم فلزي که در عبور جریان الکتریکی از یک محلول الکترولیت روي کاتد رسوب میکند با بار الکتریکی که بین آند وکاتد جریانمییابد متناسب است.  الکتروانباشت در یک سلول که شامل الکترولیت وسه الکترود میباشد انجام میشود سه الکترود به ترتیب زیر در محلول الکترولیت قرار میگیرند:

-الکترود کار که یک صفحه مربعی از جنس نیمرساناي سیلیکون است ولایه نازك روي آن نشانده میشود - کاتد -

-الکترود ثانویه که یک صفحه فلزي است - آند - به پتانسیل مثبت باتري وصل میشود و باید چنان انتخاب شود که هیچگونه واکنش شیمیایی با محلول انجام ندهد در سلولهاي آزمایشگاهی آند یک رساناي بسیار خوب مانند پلاتین است.

– الکترود مرجع از نوع جیوه اشباع است به منظور کنترل اختلاف پتانسیل بین الکترولیت و الکترود کار جهت ایجاد انباشت یکنواخت استفاده میشود نقش این الکترود فراهم ساختن پتانسیل ثابتی روي سطح الکترود کار است.پاي پتانسیل یک چشمه ولتاژ- جریان با سه ترمینال خروجی است که به ترتیب به الکترود کار، الکترود ثانویه والکترود مرجع متصل میشود.پاي پتانسیل که در این پروژه مورد استفاده قرار گرفت ساخت شرکت بهپژوه اصفهان است که توسط کامپیوتر کنترل میشود. با اعمال ولتاژ مناسب به کاتد  میتوان فلز مورد نظر را روي کاتد رسوب داد. این ولتاژ به عوامل متعددي ازجمله غلظت محلول، مساحت لایه نشانی، دما و... بستگی دارد.

ولی در هر صورت باید از پتانسیل شیمیایی فلز موردنظر منفیتر باشد. در این کار براي انباشت مس بر زیرلایه سیلیکون از الکترولیتی شامل محلول آبی یک میلی مولار CuSO4.5H2O استفاده شد و H2SO4 به عنوان تثبیت محلول الکترولیت وبه منظور تنظیم pH روي عدد یک استفاده شد. زیرلایه مورد استفاده سیلیکون آلایش ۵۳۳شده با آنتیموان است که مقاومت ویژهاي در حدود0/01  Ω-Cmدارد. زیرلایه قبل از انباشت، ابتدا با آب مقطر شسته شد سپس به مدت 20 دقیقه در استون و بعد بلافاصله به منظور زدودن لایهاکسیديدقیقهبهمدت 5 در HF10% غوطهور شد.به منظور کنترل مساحت ناحیه انباشت با استفاده از یک نوار چسب ضد اسید یکماسک دایرهاي به قطر 7 mm  روي زیرلایه سیلیکونی قرار داده شد.

بعد از ماسک زنی نیز Si به 1 دقیقه در % HF 10 غوطهور شد، سپس با آب مقطر شسته وخشک شد وبلافاصله به محلول الکترولیت منتقل شد.  براي الکتروانباشت لایه مس بر زیرلایه
فرمان اعمال پتانسیل -0/6V که متناظر با رسوب مس است توسط پاي پتانسیل به مدار اعمال میشود و جریان الکتریکی اندازهگیري میشود. نرمافزار از جریان نسبت به زمان انتگرال میگیرد تا بار الکتریکی به دست آید هنگامی که بار الکتریکی به مقداري که طبق قانون فارادي متناظر با ضخامت لایه مس است رسید فرآیند انباشت متوقف میشود. پس از رشد لایههاي مسبر زیرلایه سیلیکون ساختار و ترکیب شیمیایی نمونهها توسط دستگاههاي SEM , XRD و آنالیز EDX مورد مطالعه قرار گرفتند.

شکل - 1 - طیف XRD الکتروانباشت لایه مس بر زیرلایه سیلیکون را نشان میدهد.همانطور که ملاحظه میشود طیف XRD رشد مس با بافت قوي - 111 - بر زیرلایه سیلیکون را نشان میدهد. از آنجا که در آنالیزEDX فقط پیکهاي مربوط به لایه مس و زیرلایه سیلیکون ظاهرشده است بنابراین میتوان استنتاج نمود که درجه خلوص فیلم-هاي تولید شده بسیار بالاست. شکل - - 2 تصویر SEM لایه مسالکتروانباشت شده بر زیرلایه سیلیکون را نشان میدهد.دایپیریدیل به عنوان پایدارساز و اتیلن دي آمین تترا استیک اسید  به عنوان عامل کمپلکس ساز استفاده شده است. این تصویر نشان میدهد مس بر زیرلایه سیلیکون با مد جزیرهايرشد کرده است و اندازه میانگین جزیرهها کمتر از 200nm می-باشد.

-2 الکترولس

در روش الکترولس انباشت در یک حمام شیمیایی کهزیر لایه به طور عمودي درآن قرار می گیرد انجام می شود.ترکیبات اصلی حمام شامل نمکی از یون هاي ماده انباشت شوندهو واسطه کاهنده است. واسطه کاهنده شیمیایی الکترون هاي مورد نیاز براي انباشت را روي یک سطح کاتالیز شده فراهم می کند.هر فرآیند انباشت الکترولس شامل سه مرحله آماده سازي زیر-
لایه، حساس سازي و فعال سازي زیرلایهکه و انباشت میباشددر ادامه به بررسی آنها پرداخته میشود. زیر لایه استفاده شدهدراین پروژه سیلیکون است که مطابق مراحل قبل از الکتروانباشت با استون و HF سونش شیمیایی شد. بعد از آمادهسازي، زیرلایه آماده کاتالیز شدن است. به منظور حساس سازي زیر لایه به مدت2دقیقه در محلول   - HCl  SnCl 2 - - 40g / L  40 / L - غوطهور شد.

در این مرحله لایه اي از یونهاي قلع روي سطح زیرلایه قرار می گیرد. در مرحله فعالسازي، نمونهدر 30 ثانیهمحلولی از کلرید پالادیوم قرار داده شد.  درخلال غوطهوريزیرلایه  در  محلول   - HCl  PbCl2 - - 3ml / L  0 /15g / L -   ،یونهاي پالادیوم توسط یونهاي قلع احیا شده و درهايجایگاهمختلف روي سطح مینشیند. اتمهاي پالادیوم نقش کاتالیزور را براي فرآیند الکترولس ایفا میکنند و انجام اینتسهیلفرآیندرامینمایند.[4] سطح زیر لایه به این ترتیب براي فرآیند الکترولسآماده میشود پس از آمادهحمام سازي، بلافاصله زیر لایه بهشیمیایی شامل ترکیبات موجوداین در جدول 1 منتقل شد. در حمام شیمیایی از سولفات مس پنج آبه به عنوان منبع یون، فرمĤلدهید واسطه کاهش، هیدروکسید سدیم براي تنظیم pH،کیفیت فیلمهاي الکترولس با عوامل مختلفی چون ترکیبات حمام انباشت، فرآیند فعالسازي، دماي محلول و مقدار pH  تعیین میشود.

دماي الکترولیت یکی از پارامترهاي مؤثر بر کیفیت رشد،به روش الکترولس است. مطالعه اثر دما بر فرآیند رشد،قبلاًگزارش شده است. [5] مطابق نتایج قبل، دماي بهینه 47C جهترشد لایه مورد استفاده قرار گرفت. شکل - - 3 طیف فیلمXRDتولید شده با روش الکترولس را که در الکترولیتی با دماي 47 Cرشد یافته است، نشان میدهد.این طیف رشد مس با دو بافت قوي 111 - و -   200 - را -   تأیید می-تصویرکند. شکل - 4 - نمونه SEM این    را نشان میدهد.همانطور که این تصویر نشان میدهد مس به صورت لایهايیکنواخت رشد کرده است.