بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله پیش رو پلاسما تخلیه نورانی کندوپاش مغناطیسی در لایه نشانی تیتانیوم نیترید با استفاده از روش های طیف سنجی مورد مطالعه قرار میگیرد. آزمایش در یک محفظه ی گاز شامل آرگون و نیتروژن، برای لایه نشانی تیتانیوم نیترید انجام می گیرد. طیف سنجی تابشی همزمان برای مشاهدهی لایه نشانی تیتانیوم نیترید مورد استفاده قرار میگیرد. بررسی نتایج نشان می دهد که با گذر زمان شدت پیک های تیتانیوم و اتم های آرگون برانگیخته به طور قابل ملاحظهای افزایش مییابد که ناشی از حضور الکترون های ثانویه گسیل شده از کاتد می باشد. با گذر زمان شدت پیک های یونهای آرگون تغییر چندانی نداشته، که از چگال شدن پلاسما و کاهش انرژی ذرات ناشی می شود.
کلید واژه- طیف سنجی تابشی ، تخلیه نورانی، کندوپاش مغناطیسی ، تیتانیوم نیترید.
مقدمه
پلاسمای کندوپاش مغناطیسی از نوع تخلیه الکتریکی نورانی میباشد که با اعمال اختلاف پتانسیل به الکترودهای دستگاه کندوپاش حاوی گاز در فشار کم، ایجاد می شود. اختلاف پتانسیل اعمالی به دو الکترود - کاتد و آند - شکست الکتریکی ایجاد کرده، گاز به الکترونها و یونهای مثبت شکسته شده و پلاسما ایجاد میشود. یونهای مثبت در اثر میدان الکتریکی قوی موجود، به سمت کاتد شتاب گرفته و با بمباران کردن آن موجب آزادشدن الکترونهای ثانویه و اتمهای ماده کاتدی از سطح آن میشوند.برخوردهای نوع دوم جفتهای الکترون -یون جدید تولید کرده، این یونها به سمت کاتد شتاب گرفته و الکترونهای ثانویه جدید ایجاد میکنند و برخوردها و نتایج آنها به صورت یک فرآیند زنجیرهای تکرار خواهند شد. برخوردهای منجر به یونیزاسیون و تابش الکترونهای ثانویه از سطح کاتد، شرایط پایداری تخلیه الکتریکی را فراهم میکنند.
اتمهای کنده شده از کاتد نیز در اثر برخوردها، یونیزه یا برانگیخته میشوند. اتمهای برانگیخته شده با گذار به تراز پایین، تولید فوتون میکنند. این فوتونها، اساس طیف سنجی تابش نورانی میباشند .[1] مطالعه تغییرات ایجاد شده با پارامترهای متغیر آزمایش با استفاده از این تکنیک، تحلیل پدیدههای سطح کاتد را ممکن میسازد.طیف سنجی تابشی در حین فرآیندهای انجام شده توسط پلاسما، نظیر لایه نشانی و حکاکی توسط پلاسما بسیار اهمیت دارد. زیرا نمونهها در فاز گازی به وسیله برخورد با الکترونهای پر انرژی برانگیخته میشوند این حالتهای تحریک شده به حالتهای پایینتر، که ممکن است حالتهای الکترونی زمینه باشند، با گسیل خودبهخودی واهلش میکنند.
به دلیل این که تنها نمونههای تحریک شده در پلاسما، توسط طیف سنجی تابشی مشاهده و آشکارسازی میشوند، طیف مشاهده شده شامل اطلاعاتی در مورد چگالی حالتهای تحریک شده میباشد و به طور مستقیم منعکس کنندهی چگالی حالتهای زمینه نیست.طیف سنجی تابشی به خوبی به عنوان تکنیک غیرمخرب برای شناسایی پلاسما، به ویژه برای پردازش دیالکتریک و نیمه رسانا شناخته شده، و به طور گستردهای در تحقیق بر روی پلاسماهای تخلیهی نورانی استفاده میشود.[2-3] طیف سنجی تخلیه نورانی اطلاعاتی در مورد تشکیل یونها و رادیکالها در پلاسما را نتیجه میدهد. تکنیک طیف سنجی تخلیه الکتریکی نورانی در سالهای اخیربه خصوص در حوزهی طیف سنجی تابشی نورانی و جرمی بسیار مورد توجه قرار گرفتهاست7]،.>4
طیف سنجی تخلیه نورانی یک روش عملی برای کنترل ترکیب
لایه در حین کندوپاش فعال است که بصورت نظارت همزمان فاز گازی انجام میگیرد 9]،.[8 همچنین طیف سنجی تخلیه نورانی برای مشاهده و نظارت لایه نشانی فلزات در سیستمهای کندوپاش تخلیه نورانی در یک مجموعه از مطالعات مورد استفاده قرار گرفته است 11]،10،.[8 از آن برای بررسی آلودگی هدفهای کندوپاش نیز استفاده شده است .[12] همچنین برای مطالعه چگالی تیتانیوم در محفظهی تخلیهی مغناطیسی جریان مستقیم استفاده شدهاست .[13] اثرات اختلاف پتانسیل بایاس ، فشار کل و شار گازهای مختلف برروی خصوصیات پلاسما در لایه نشانی تیتانیوم نیترید توسط این روش مورد مطالعه قرار گرفتهاست .[14] از این روش رابطهی مابین پارامترهای تخلیه، ترکیب و نرخ رشد لایه نازک لایه نشانی شده مورد مطالعه قرار گرفتهاست .>15@
همچنین پلاسمای ناحیه کاتدی و برهمکنشهای آن با سطح کاتد بر حسب پارامترهای پلاسما مورد بررسی قرار گرفتهاست .>16@فیلمهای تیتانیوم نیترید دارای ترکیبی از خواص مورد علاقه، نظیر نقطهی ذوب بالا، مقاومت ویژهی پایین، و تعادل گرمایی خوبی هستند 17] ،.[1 تیتانیوم نیترید در فلزکاری به عنوان لایه نشانی سخت برای قطعات و ابزارآلات مورد استفاده قرار میگیرد. .[18]هدف اصلی در این مقاله مطالعه و بررسی پلاسمای تخلیهی کندوپاش مغناطیسی با استفاده از روش طیف سنجی تخلیه نورانی میباشد. اطلاعات بدست آمده از طریق طیفهای تابشی حاصل از پلاسمای مورد مطالعه را میتوان در جهت بهینهسازی پارامترهای پلاسمای کندوپاش مغناطیسی، چگالی نمونههای فعال موجود در پلاسما و ترکیب فیلمهای لایه نشانی شده استفاده کرد.
چیدمان آزمایش
جهت ایجاد پلاسما و انجام لایه نشانی تیتانیوم نیترید از یک دستگاه کندوپاش مغناطیسی ساخته شده دراین مرکز تحقیقاتی استفاده میشود . شکل - 1 - نمایی از چیدمان تجربی استفاده شده در آزمایشها را نشان میدهد.ماده هدف از جنس تیتانیوم با خلوص 99/999% و با قطر 2 اینچ در روی کاتد قرار و زیرلایهها برروی آند قرار میگیرند. جهت دستیابی به یک پلاسمای چگالتر و افزایش آهنگ کندوپاش ازیک مدار مغناطیسی در پشت کاتد استفاده شدهاست. همچنین یک سیستم خنک کننده جهت کاهش دمای کاتد و مدار مغناطیسی به کار میرود. در فرآیند کندوپاش از گاز آرگون به عنوان گاز عامل و از گاز نیتروژن به عنوان گاز فعال در نسبتهای گازی متفاوت استفاده میشود.
در ابتدا خلاء اولیه دستگاه توسط پمپ تخلیه توربو مولکولی به 5 × 10-5 میلی بار میرسد، سپس با وارد کردن مخلوط گازی آرگون و نیتروژن فشار کاری محفظه گازآزمایشات از 2 × 10-2 تا 7 × 10-2 میلیبار تنظیم میشود.برای طیف سنجی از یک طیف سنج Ocean Optics مدلHR2000 استفاده میگردد. حسگر فیبر نوری طیفسنج به عنوان جمع کنندهی نور گسیلی از پلاسما در پشت دیوارهی شیشهای و در ارتفاعی قرار میگیرد که محدودهی زیر کاتد را پوشش دهد. جهت جلوگیری از نشستن نمونه های فعال موجود در پلاسما بر روی دیواره داخلی محفظه از یک دیافراگم با قطر مناسب استفاده میشود.در آزمایشات از زیرلایههای استیل با ابعاد 2×3 سانتیمتر استفاده میشود که تمامی زیر لایه ها با آبصابون و سپس با الکل و استون در حمام آلتراسونیک شستشو داده میشوند.
در این مقاله آزمایشات طراحی شده در توان 45 وات در فشارهای بین 2× 10-2 میلیبار تا 7× 10-2 میلیبار انجام شده و زمان رخداد هر آزمایش 40 دقیقه میباشد. همچنین تمامی آزمایشات با مخلوط گازی آرگون و نیتروژن با نسبت گازی 9 به 1 انجام میگیرند.زمان هر پیمایش - Integration Time - طیف سنجی از پلاسمای حاصل در طول لایه نشانی، یک ثانیه میباشد. برای بدست آوردن تحولات زمانی نمونههای فعال موجود در پلاسما هر یک دقیقه یک طیف ثبت میگردد.با توجه به اطلاعات حاصل از طیف سنجیهای انجام گرفته سعی بر آن شد که، تحولات زمانی تعدادی از نمونهها فعال در پلاسما را استنتاج و بررسی نماییم.شایان ذکر است جهت توصیف طیفهای حاصل از آزمایش از پایگاه اطلاعاتی NIST به عنوان مرجع استفاده میشود.
بحث و نتیجه گیری
شکل - 2 - طیفهای حاصل از لایه نشانی تیتانیوم نیترید بر روی زیرلایه استیل با نسبت گازی آرگون به نیتروژن 9 به 1 ، توان 45 وات و مدت زمان 40 دقیقه را نمایش می دهد. شکل -2 - الف - طیف مزبور را بعد از گذشت اولین دقیقه از تشکیل پلاسما، شکل -2 - ب - طیف را با گذشت 20 دقیقه از تشکیل پلاسما و شکل -2 - ج - طیف مزبور را در زمان 40 دقیقه بعد از گذشت پلاسما نمایش می دهد. همانطور که مشاهده میشود در اولین دقیقه تمامی پیکها با شدتهای محسوس در محدودهی 700 نانومترتا 1000 نانومتر را پیکهای آرگون تشکیل میدهند در محدودهی طول موجی 350 نانومتر تا 600 نانومتر پیکهای غالب تیتانیوم بوده و به طور جزئی پیکهای نیتروژن و آرگون به چشم میخورد. اما بعد از گذشت 40 دقیقه رشد قابل توجهی در پیکهای تیتانیوم دیده میشود.
این افزایش قابل توجه شدت پیکهای تیتانیوم را میتوان ناشی از خود فرآیند کندوپاش وتغییر مورفولوژی سطح کاتد دانست. یونهای اولیه که با سطح کاتد برخورد میکنند ناشی از شکسته شدن مولکولهای گازی موجود در محیط - آرگون و نیتروژن - حاصل از اعمال میدان میباشند ولی با گذشت زمان در اثر بوجود آمدن الکترونهای ثانویه ناشی از برخوردهای یونی با سطح کاتد و گسیل میدانی ناشی از تغییر مورفولوژی سطح هدف، آهنگ یونیزاسیون افزایش مییابد و بنابراین یونهای بیشتری با سطح هدف برخورد داشته و حضور تیتانیوم در پلاسما افزایش می یابد و در نتیجه شدت پیکهای تیتانیوم افزایش خواهند یافت.
در ادامه تحول زمانی شدیدترین پیکهای نمونههای مختلف در محیط مورد بررسی قرار گرفتند . ArI نمایانگر آرگون برانگیخته شده و ArII نمایانگر آرگون یکبار یونیزه شدهاست. شکل 3 تحول زمانی پیک های ArI و ArII را نمایش میدهد. مشاهده میشود که شدت پیکهای آرگون با گذر زمان به حالت پایدار میرسد. نکتهی قابل توجه افزایش اندک در پیکهای ArII با طول موجهای 454/5 و 487/98و افزایش کاملاً محسوس در پیک های ArI با طول موجهای 750/4 و 811/5 میباشد. با گذر زمان و افزایش تعداد ذرات در پلاسما، پلاسمای حاصل چگالتر شده و در نتیجه به علت افزایش برخوردها در پلاسمای چگالتر انرژی متوسط الکترونها، علیرغم افزایش چگالی آنها، کاهش یافته و چون سطح مقطع یونیزاسیون با کاهش انرژی متوسط کاهش مییابد، علیرغم افزایش چگالی الکترونها، به نرخ یونیزاسیون
