بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله نتایح شبیه سازی های مونت کارلو برای لایه نشانی لیزر پالسی آلومینیوم در حضور گازهای پس زمینه متفاوت در فشارهای گوناگون ارائه شده است. با در نظر گرفتن آلومینیوم به عنوان یک ماده نوعی و مقایسه جرم اتمی آن با جرم اتمی گاز پس زمینه، دو روش برای رشد لایه های اپتیکی ارائه شده است. برای رشد سریعتر لایه های ضخیم از مواد فعال لیزری، بایستی از گازی با جرم اتمی کم در فشارهای پائین تر استفاده نمود. اما برای رشد لایه های نازک اپتیکی باکیفیت، بایستی گازی با جرم اتمی کم در فشارهای بالاتر را بکار برد.
-1 مقدمه
لایه نشانی لیزر پالسی - PLD - به عنوان یک روش جدید در آماده سازی گروه وسیعی از مواد مورد آزمایش قرار گرفته است .[1] جاذبه این روش در قیاس با روش های دیگر لایه نشانی، نظیر روش کندوپاش یا پرتو بیم مولکولی - MBE - در سادگی ابزار مورد استفاده و انطباق پذیری آن برای رشد لایه های با کیفیت از مواد گوناگون نهفته است.
در روش PLD معمولا یون هایی در بازه انرژی بین یک تا صدها الکترون ولت به سطح لایه در حال رونشانی برخورد می نمایند 3]،.[2 با وجود آنکه در روش لایه نشانی کندوپاش هم انرژی یون ها در همین سطح است، اما قابلیت روش PLD برای بدست آوردن لایه های بلوری بسیار بیشتر است .[4] تاکنون کاربرد PLD برای بدست آوردن لایه های اپتیکی منطبق بر دو روش کلی زیر بوده است:[5]
- رشد لایه های ضخیم از محیط های فعال لیزری - نظیر گارنت ها - برای کاربردهای موجبری.
- رشد لایه های نازک باکیفیت برای کاربردهای اپتیکی - نظیر رشد لایه های فلزی ساده جهت ساخت آینه های مورد نیاز در طراحی لیزرها - . برای کاربران تجربی که در زمینه اول فعال هستند، بدلیل زمان بری فرآیند، رشد لایه های میکرومتری در حداقل زمان ممکن حائز اهمیت است و کیفیت لایه های آماده شده در درجه دوم اهمیت قرار می گیرد. اما برای کاربران دسته دوم، کیفیت لایه های آماده شده بسیار مهم است. هر دو دسته این کاربران برای آماده سازی لایه ها، تنظیم پارامترهای لایه نشانی - نظیر نوع و فشار گاز پس زمینه - را به طریق تجربی و از طریق آزمون و خطا انجام می دهند.
حال آنکه در صورت داشتن یک مدل شبیه سازی بیش از انجام آزمایشات برای بدست آوردن این پارامترها، در هزینه و زمان صرفه جویی قابل توجهی خواهد شد. بایستی توجه داشت که با وجود سادگی ابزار مورد استفاده جهت PLD، توصیف آن بدلیل پیچیدگی فرآیندهای فیزیکی متفاوت دخیل در آن بسیار دشوار است .[6] در اینجا به توصیف مدلی مونت کارلو خواهیم پرداخت که قادر به توصیف فرآیند PLD و تخمین پارامترهای لایه نشانی خواهد بود.
-2 مدل شبیهسازی
در این مدل فرض می شود که پس از خاتمه پالس لیزری، توده کنده شده یونها در جهت عمود بر سطح هدف و در موقعیت لکهی لیزری شکل میگیرد. با فرض آنکه اندازه لکهی لیزری 0/1 cm2 باشد، توزیع مکانی گاوسی از تعداد 105یون با توزیع انرژی ماکسول بولتزمنی جابه جا شده - رابطه - 1 متناظر با انرژی جنبشی میانگین 0/247 keV - گزارش شده توسط تسلاو وهمکاران - [7] برای یونهای آلومینیوم ایجاد می شود.
با توجه به آنکه در حضور گاز پسزمینه توسعه و گسترش توده یونهای کنده شده توسط اندرکنش یون ها با مولکولهای گاز کنترل می شود، در مرحله اول تنها سطح مقطع برهمکنشهای یون با اتمهای گاز آرگون در نظر گرفته شده است. در مرحله دوم، توده یونهای گسترده شده در اثر برخوردها، وارد لایه فلزی آلومینیومی شده و در اثر اندرکنش با الکترون های آزاد سیستم، فونونها و میدان الکتریکی یونها متوقف میگردند.
برای مشاهده الگوریتم مورد استفاده در محاسبه پارامترهای جنبشی یون ها - نظیر انرژی جنبشی، موقعیت مکانی و زوایای حرکت - پس از برخورد با اتم های گاز پس زمینه و ماده درحال رشد می توان به مرجع [6] مراجعه نمود. با تغییر فشار گاز پس زمینه در مقادیر بین 30 تا 200 میلی تور با گام های 10 تایی، پارامترهای مرتبط با رشد لایه نظیر انرژی جنبشی یونها پیش از برخورد به سطح، نرخ کندوپاش، توزیع شعاعی یونهای رسیده به سطح و اتم های کندوپاش شده از سطح تعیین شدند. شبیه سازی ها در محیط 5 گاز نجیب نئون، آرگون، کریپتون و گزنون تکرار می شوند.
-3 نتایج
در شکل 1 انرژی میانگین یون های برخوردکننده روی سطح لایه درحال رشد ET - r - برحسب فاصله شعاعی روی آن رسم شده است. انرژی میانگین یون ها مهمترین پارامتر جنبشی است که خصوصیت نهایی لایه های آماده شده را تعیین می کند. میزان کندوپاش از سطح لایه و میانگین آسیب های وارده به سطح وابسته به این پارامتر هستند. آنچه که مشخص است، در حضور گازهای نجیب متفاوت و فشارهای معمول 30 - PLD تا 200 میلی تور - انرژی جنبشی یون ها بین 40 تا 180 الکترون ولت است.
با چنین سطح انرژی بالایی، یون ها در زیر سطح کاشته می شوند و از کندوپاش سطحی نمی توان صرفنظر کرد. تحت این شرایط رشد لایه ها در مد رشد » زیرسطحی« خواهد بود .[5] علاوه بر این، مطابق شکل 1 اتلاف انرژی در محیط گازهای سبک تر بیشتر است که در تطابق با گزارشات تجربی ارائه شده می باشد 9]و.[10 پروفایل ضخامت روی سطح زیرلایه معیار تعیین همگنی ضخامت لایه نشانده شده است. پروفایل ضخامت - DP - r دراینجا بصورت تعداد میانگین یون های عبورکرده از فاصله هدف زیرلایه منهای تعداد میانگین یون های کندوپاش شده از سطح تعریف می شود .[5]
در شکل 2 مقادیر DP - r - برای گازها در فشارهای متفاوت رسم شده است. کاهش ضخامت در مرکز - به علت برخورد یون های پرانرژی تر ودرنتیجه نرخ کندوپاش بیشتر - در گازهای با جرم اتمی بالاتر با اهمیت تر است به گونه ای که در مورد گاز گزنون دو گودال در پروفایل ضخامت در 50 و 70 میلی تور قابل مشاهده هستند. وجود این گودال ها در پروفایل ضخامت فیلم های آماده شده به روش PLD به لحاظ تجربی بارها گزارش شده است .[14-11]
بنابراین حضور این گودال ها را می توان با در نظر گرفتن نقش کندوپاش به هنگام لایه نشانی یون های پرانرژی در PLD توضیح داد. نرخ جایگذاری به عنوان معیار سرعت رشد لایه ها در شکل 3 نشان داده شده است. در این شکل نرخ جایگذاری به صورت تعداد کل یون های رسیده به سطح زیرلایه منهای تعداد کل یون های کندوپاش شده به ازای هر پالس لیزری تعریف شده است.
کاهش نرخ با افزایش فشار و استفاده از گازهای سنگین تر کاملا مشخص است. کاهش نرخ با استفاده از گازهای سنگین تر بدلیل افزایش تعداد یونهای بازگشتی به سمت هدف و افزایش میزان کندوپاش از سطح لایه به علت بیشتر بودن انرژی یونهای فرودی - شکل - 1 است. در شکل4 تعداد میانگین جاهای خالی ایجاد شده در سطح فیلم به ازای هر یک یون برخوردی برحسب فشار برای گازهای مختلف ترسیم شده است. این تعداد عمدتا وابسته به فشار گاز مورد استفاده هستند و با تغییر جرم اتمی گاز تغییر چشمگیری ندارند.
این روند با توجه به شکل 1 و توجه به این نکته که انرژی یونهای فرودی نیز بیشتر با فشار تغییر میکند قابل توجیه است. افزایش تعداد جاهای خالی در سطح لایه درحال رشد از یک سو بدلیل افزایش نرخ هسته زایی 15]و [16 و لذا افزایش سرعت رشد لایه ها [17] سودمند است و از سوی دیگر به علت افزایش احتمال شکل گیری آسیب های شبکه ای دائمی - زوج های فرنکل - [15] و لذا افت کیفیت لایه های تولیدی چندان مطلوب نیست.
