از متداول ترین آنالیزهای مورد استفاده می توان به طیف سنج الکترون های اوژه، طیف نگاری جرمی یون ثانویه(SIMS) و طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) اشاره نمود.
شکل۱-۴ : نمای شماتیک از دستگاه MBE در زوایای مختلف
چند محفظه ای بودن این سیستم ها امکان مانور بیشتری به اپراتور برای آنالیزهای مختلف و تنوع رشد می دهد. یک محفظه Load-lock تا حدود ^۸-۱۰ تور تخلیه می شود، در حالی که دیگر محفظه های خلأ، به خلأ بالاتر از ^۱۰-۱۰×۵ و ^۱۱-۱۰×۵ تور می رسد.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

در فرایند رشد MBE ، کنترل درجه حرارت، شاترها، پرتوهای مولکولی (اتمی) و آهنگ انباشت هر یک از چشمه ها که به سمت نمونه (تحت گرمای مناسب) هدایت می شوند در رشد خالص لایه بسیار مهم است.
اینک فرایند کلی رشد در یک سیستم MBE را بررسی می کنیم:
۱- آماده سازی ویفرها.
این مرحله شامل تمیزکاری و گاهی لکه برداری از روی ویفرها است.
۲- قرار دادن ویفرها در داخل سیستم و تخلیه محفظه های خلأ.
زیرلایه های مورد استفاده، ویفرهای تک کریستالی هستند و قبل از انباشت، تمیز می شوند و معمولاً یک لایه اکسیدی برای محافظت در مقابل گازهای هوا و مواد ویفر روی زیرلایه بکار می رود.
۳-ایجاد حرارت زیر ویفرها.
حرارت باید به گونه ای باشد که سطوح کاملاً تمیز و خالص شوند. به عنوان مثال حرارت مورد نیاز برای Ga، ۵۵۰ -۵۰۰ درجه سانتیگراد و برای سیلیکن ۹۰۰-۷۰۰ درجه سانتی گراد در نظرگرفته می شود.
۴-شروع فرایند لایه نشانی لایه، با خلأ خیلی بالا و توسط چند چشمه با آهنگ های بالاتر از یک میکرون در ساعت.
۵-انجام آنالیزهای مختلف بر روی لایه در حال رشد و یا لایه رشد یافته.
با توجه به اینکه خواص الکتریکی این مواد مستقیماً به ساختار کریستالی لایه ها مربوط می شوند، MBE بهترین انتخاب برای آنهاست. با توجه به فرایند دقیق و اعمال خلأ بالا در سامانه های MBE ، کاربردهای فراوانی برای آن وجود دارد که از جمله می توان به ساخت سلول های خورشیدی، ابررساناها، لیزرهای نیمه هادی و ساخت LED اشاره نمود. ]۳ [
۱-۵-۱-۲ کندوپاش
کندوپاش اولین بار در سال ۱۸۵۲ مورد استفاده قرار گرفت. در آن هنگام، شخصی به نام گرو با بهره گرفتن از تخلیه الکتریکی توانست لایه فلز را روی کاتد سرد لایه نشانی کند. کندوپاش در ابتدا، عمدتاً برای لایه نشانی فلزات دیرگداز بکار می رفت چرا که لایه نشانی آن ها با روش حرارتی ممکن نبود و به مرور با انجام تغییراتی، برای لایه نشانی مواد دی الکتریک نیز مورد استفاده قرار گرفت. یکی از این تغییرات، استفاده از امواج دارای فرکانس رادیویی بود که اجازه می داد تا دی الکتریک ها بصورت مستقیم لایه نشانی شوند.
استفاده از امواج Rf از سال ۱۹۶۰ گسترش یافت و مایسل و دیوید^[۲۱] در سال ۱۹۶۶، برای ساخت لایه های دی الکتریک، از امواجRf استفاده کردند. در ۱۹۶۸ شرکت Hohensteinبه طور هم زمان شیشه را با بهره گرفتن از امواج Rfو فلزات نیکل، مس و آلومینیوم را با بهره گرفتن از جریان مستقیم DC لایه نشانی نمود. در ادامه برای بهبود لایه نشانی و بالا بردن آهنگ رشد لایه از میدان مغناطیسی استفاده شد که بواقع انقلابی مهم در گسترش این فن‌آوری بود و موجب شد که مقایسه بین کندوپاش را با روش های دیگری مانند روش تبخیری برای لایه نشانی فلزات، آلیاژها، دی الکتریک ها و دیگر مواد بین کارشناسان به بحث گذاشته شده و به عنوان روشی قابل اعتماد برای لایه نشانی مورد توجه قرارگیرد.]۱۲[
روش کندوپاش شامل تبخیر ماده منبع، انتقال بخار از منبع به زیرلایه و تشکیل لایه نازک روی زیرلایه است. در اثر تخلیه الکتریکی و یونیزاسیون گازی که به داخل محفظه کندوپاش وارد شده، یون های مثبتی ایجاد می شوند، با برخورد این یون ها به سطح هدف و انتقال انرژی به آن، اتم هایی از سطح هدف جدا شده و به بیرون از سطح پرتاب می کنند. سپس این اتم ها در محیط خلا به سمت زیرلایه حرکت کرده و بر روی آن جمع می شوند و باعث تشکیل لایه نازک می شوند.
برای این که ماده منبع، به فاز بخار خود منتقل شود، می توان از بر هم کنش فیزیکی ذره هایی که به ماده منبع یا هدف برخورد می کنند استفاده کرد. با بمباران و برخورد ذرات پر انرژی به سطح هدف، که به ولتاژ منفی متصل شده و نقش کاتد را دارد، اتم ها یا مولکول ها از سطح هدف جدا شده و به بیرون پرتاب می شوند و در میدان ایجاد کننده پلاسما شتاب می‌گیرند. از طرف دیگر زیرلایه با اتصال به ولتاژ مثبت نقش آند را ایفا می کند و لایه ای از جنس هدف روی آن انباشت می شود.
متداول ترین ‏شیوه برای فراهم کردن یون و تولید پلاسما، عبور مداوم گازی مانند آرگون است، به این ترتیب ابتدا فشار اولیه محفظه کندوپاش را به ‏‎^۶-۱۰ تا ^۱۰-۱۰‎‏ تور می رسانند و با ورود گاز مورد نظر به محفظه، فشار را تا ۱۰۰ تور‏ افزایش می دهند. در دمای نزدیک یا بالاتر از انرژی یونیزاسیون اتمی، با برخورد الکترون به اتم های گاز، این اتم ها به الکترون هایی با بار منفی ویون هایی با بار مثبت تجزیه می شوند. الکترون اولیه و الکترون های ثانویه ای که در اثر یونیزاسیون تولید شده اند، دوباره در یونیزه کردن سایر اتم های گاز شرکت می کنند و به این ترتیب پلاسما، همان گاز یونیزه شده که بخشی یا همه اتم های آن به یون تبدیل شده اند، شکل می گیرد.
در این فرایند ذرات فرودی که برای بمباران ماده هدف استفاده می شوند را معمولاً یونهای منتشر شده از یک گاز خنثی مانند He ، Ne ، Ar، Xeو CF₄ تشکیل می دهند به دلیل این که آنها براحتی و با ایجاد میدان الکتریکی قابل شتاب دادن هستند، البته چون آرگون نسبت به سایر مواد کندوپاش کننده نسبتا سنگین تر است و می تواند اتم ها یا مولکول های بیشتری را از سطح هدف جدا کند، متداول ترین گازی است که برای تولید پلاسما در روش کندوپاش به کار می رود. پارامترهایی مانند انرژی، زاویه و جرم ذره فرودی و همچنین انرژی مقید بین اتم ها در راندمان فرایند کندوپاش مؤثرند. از این روش برای ساخت لایه های نازکی که کاربردهایی مانند اپتیکی و ذخیره سازی مغناطیسی دارند، استفاده می شود. ]۱۳-۱۴[
در کندوپاش فلزات، با توجه به رسانا بودن آن ها می توان با اعمال ولتاژ مستقیم (DC)، پلاسمای موجود در محفظه را جذب هدف کرده و فرایند کندوپاش را انجام داد ولی چنانچه ماده هدف نارسانا باشد می توان از روش های کندوپاشRF (اعمال ولتاژ متناوب) بهره برد.
اگر علاوه بر میدان الکتریکی، یک میدان مغناطیسی، موازی با سطح هدف به منظور به دام انداختن الکترون های ثانویه (گسیل شده از هدف در حین بمباران آن) در نزدیکی سطح هدف مورد استفاده قرار گیرد، کندوپاش مگنترون نامیده می شود.]۱۲[
شکل ۱-۵: طرح واره سیستم کندوپاش ]۱۵[
۱-۵-۲روش های شیمیایی
۱-۵-۲-۱ انباشت شیمیایی بخار^[۲۲] (CVD)
در این روش، ماده اولیه درون رآکتور قرار می گیرد. سپس، جریان گاز حاوی ماده اولیه، که تجزیه شیمیایی شده است، روی زیر لایه کندانس شده و لایه نازک را تولید می کند و در آخر گازها و مواد زائد از درون محفظه خارج می شوند. این فرایند متعلق به دسته­ای از فرآیندهاست که انتقالات مواد در آن­ها از طریق گازها صورت گرفته و رسوبات ایجاد شده از آن اتم­ها یا مولکول­ها و یا ترکیبی از آن­ها می­باشد. [۱۱]
در لایه نشانی به روش شیمیایی مانند روش های فیزیکی پارامترهای متعددی بر کیفیت لایه تأثیر می گذارند. از مهم ترین آنها می توان به دمای زیرلایه، غلظت مواد واکنش، فشار گاز و آهنگ جریان گاز اشاره نمود. از نظر مقدار فشار، واکنش های شیمیایی ممکن است در فشار اتمسفر موسوم به^[۲۳]APCVD یا در فشار پایین موسوم به ^[۲۴]LPCVD و حتی در خلأ فرازیاد موسوم به^[۲۵]HVCVD انجام شوند. مهم ترین بخش این فرایند واکنش های شیمیایی است که بین گازهای چشمه رخ می دهند و به دنبال آن، ماده جامد مورد نظر روی سطح زیرلایه ایجاد می شود.
در این فرایند معمولاً یک یا چند گاز در فشار پایین وارد راکتور شده و بین آن ها، بر روی سطح یا نزدیک زیرلایه، واکنشی صورت می گیرد. البته به دلیل ماهیت بعضی از گازها در ایجاد محصولات سمی و یا خورنده، در خلال فرایند انباشت، بایستی درانتخاب گازهای مورد نظر توجه بسیاری کرد.
پوشش تولیدی در این روش دانسیته و خلوص بالایی داشته و جهت کاربردهایی نظیر قطعات الکترونیکی، لایه های نازک نیمه رسانا، لایه های نازک برای ابزار برشی و صنایع هوافضا استفاده می شود.[۲-۳[
این روش لایه نشانی می ­تواند موادی با خلوص بسیار بالا ایجاد کند که ساختار آن تا مقیاس اتمی یا نانومتری قابل کنترل باشد. از قدیمی ترین کاربردها می توان به ساخت رنگ دانه اشاره نمود. پودرهای TiO₂ ، SiO₂ ، Al₂O₃ ، Si₃N₄ و کربن سیاه به صورت روتین با این روش ساخته می شوند. گستره وسیعی از مواد شامل دی الکتریک ها، مواد تک کریستالی سیلیکن، مواد پلیمری و مواد فلزی با این روش قابل لایه نشانی می باشند. ]۱۰[
یکی از روش های متداول لایه نشانی شیمیایی بخار، استفاده از یک منبع تولید پلاسما است. از مزایای عمده این روش کاهش دمای انباشت نسبت به روش های معمولی است، در حالیکه به واسطه انرژی پشتیبان حاصل از پلاسما که به مولکول های گاز وارد می گردد، این کمبود انرژی جنبشی جبران می شود. از این سامانه اغلب برای انباشت اکسیدها و نیتریدها استفاده می­ شود.
۱-۵-۲-۲ آبکاری الکتریکی
آبکاری الکتریکی روش الکتروشیمیایی است که از آن برای ساخت لایه های نازک فلزی بر روی زیرلایه رسانای الکتریکی استفاده می شود. از محاسن این روش، قابلیت لایه نشانی فلزات، آلیاژها، مواد کامپوزیتی و انجام فرایند لایه نشانی در دمای اتاق می باشد. در این روش، در اثر اختلاف پتانسیل بین کاتد وآند، یون های مثبت فلز که در محلول الکترولیت می باشند، به سمت کاتد رفته و با گرفتن یک یا چند الکترون به اتم فلزی تبدیل می شوند، از طرف دیگر یون های منفی به آند رفته و با دادن الکترون های خود به آند، به یک نمک محلول تبدیل می شوند و به محلول باز می گردند. الکترون های جامانده در آند از طریق منبع تغذیه به کاتد می روند و به این ترتیب، جریان الکتریکی در مدار برقرار می شود. نتیجه به دام افتادن این الکترون ها، لایه نشانی یک فلز روی زیرلایه است. فاکتورهای مهم در این روش، pH و ترکیب شیمیایی حمام، چگالی جریان، دما و سرعت همزدن حمام می باشد.]۲-۳[
۱-۵-۲-۳ سل- ژل
فرایند سُل- ژل یک روش شیمیایی تر، برای سنتز انواع نانوساختار ها به ویژه نانوذرات ‏اکسید فلزی می باشد. در این روش ماده در آب یا الکل حل ‏شده و با حرارت و همزدن در اثر هیدرولیز، به ژل تبدیل می شود. حال باید ژل ‏را خشک کرد که برای محلول الکلی می تواند با سوختن الکل انجام پذیرد. پس از خشک کردن ژل ‏آن را پودر می کنند. روش سل- ژل روش ارزانی است و به دلیل دمای پایین واکنش می توان کنترل مناسبی بر ترکیب ‏شیمیایی محصولات داشت. سل- ژل می تواند در فرایند ساخت سرامیک ها به عنوان ماده قالب گیری در قالب ‏استفاده شود یا به عنوان حد واسط فیلم های خیلی نازک از اکسیدهای فلزی برای فرآیندهای مختلف ‏استفاده شود. مواد حاصل از روش تهیه سل- ژل می تواند در کاربردهای متفاوت نوری ، ‏الکترونیک، انرژی، سطح، سنسورهای زیستی ، دارویی و تکنولوژی جداسازی ‏به کار برده شود. ]۲[
فصل دوم: مفاهیم رشد و بررسی مدل های پیوسته و گسسته
از دیدگاه شبیه سازی، مدل های مختلفی برای رشد لایه نازک پیشنهاد شده، مدل رشد گسسته و مدل رشد پیوسته. فرایند رشد در مقیاس میکروسکوپیک، به صورت گسسته و در مقیاس ماکروسکوپیک به صورت پیوسته انجام می شود.
رشد گسسته شامل مدل های مختلفی از جمله، مدل لایه نشانی تصادفی^[۲۶]، لایه نشانی بالستیک^[۲۷] و لایه نشانی تصادفی همراه با نرم سازی^[۲۸] و رشد پیوسته شامل معادلاتی مانند ادوارد-ویلکینسون و… می باشد.
۲-۱ مدل لایه نشانی تصادفی
لایه نشانی تصادفی ساده ترین مدل رشد است. یک ذره از محلی تصادفی در بالای سطح به صورت قائم سقوط می کند تا به یک ستون ذره برسد و بدون در نظر گرفتن ارتفاع همسایه های مجاور، در بالای ستون می نشیند]. ۱۶[
شکل۲-۱: تصویرشماتیک مدل لایه نشانی تصادفی
۲-۲ مدل لایه نشانی بالستیک
لایه نشانی بالستیک نشان دهنده یک مدل متراکم چسبناک است و به وسیله آن صفات یک توده متخلخل مورد مطالعه قرار می گیرد. در این مدل ذره از یک موقعیت تصادفی در بالای سطح به صورت قائم سقوط می کند و در مسیر خود به نزدیکترین خانه می چسبد. ذرات با در نظر گرفتن ارتفاع همسایه های مرتبه اول خود و مقایسه آن با ارتفاع سایت زیرین خود، به اولین موقعیتی که می رسند با آن می چسبند و به این ترتیب باعث به وجود آمدن یک توده متخلخل می شوند، به همین دلیل به این مدل نزدیکترین همسایگی^[۲۹] (nn) می گویند. در مدل ذرات با در نظر گرفتن ارتفاع همسایه های مجاور در سایتی با حداکثر ارتفاع مستقر می شوند.]۱۶[
شکل ۲-۲ : تصویر شماتیک مدل لایه نشانی به روش بالستیک
تفاوت این دو مدل در این است که در مدل ستون ها کاملا مستقل از یکدیگر رشد می کنند و ارتفاع فصل مشترک در یک ستون به ارتفاع ستون های مجاور بستگی ندارد و سطوح رشد داده شده غیر همبسته اند. درحالیکه در مدل ستونها به یکدیگر وابسته اند. این وابستگی در طول سطح بیرونی گسترش می یابد و این نشان دهنده این است که مکان های متفاوت بر روی سطوح خارجی کاملا مستقل از یکدیگر نیستند و به هم وابسته اند. در این مدل به محض ورود، ذرات به اولین موقعیت نزدیک و مجاور خود می چسبند و به این ترتیب ارتفاع ذره جدید مساوی یا بیشتر از ذرات مجاورش خواهد شد. در این مدل علاوه بر رشد در راستای قائم، ارتفاع در راستای افقی نیز گسترش می یابد، زیرا ارتفاع ذره بعدی که می نشیند مساوی یا بیشتر از ارتفاع ذره ماقبل خود است.]۱۶[
۲-۳ مدل لایه نشانی تصادفی همراه با نرم سازی
در مدل RD ذرات بدون در نظر گرفتن ارتفاع همسایه های مجاور در سایت زیرین خود می نشستند، اما اگر پس از نشست ذرات در جای خود باقی نمانند و به آن ها اجازه داده شود تا در گستره محدودی از سطح جا به جا شوند و با در نظر گرفتن ارتفاع همسایه های اطراف، به پایین ترین موقعیت نسبی خود برسند، یعنی بر روی همسایه ای بنشینند که پایین ترین ارتفاع را دارد، مدل لایه نشانی تصادفی همراه با نرم سازی شکل می گیرد و به همین علت سطوح به دست آمده نسبت به سطوح لایه نشانی شده در مدل RD هموارترند. دراین مدل به دلیل حرکت ذرات بر روی سطح یک وابستگی بین ارتفاع های مجاور ایجاد می شود و منجر به ایجاد یک سطح یکنواخت وابسته می شود و در نهایت، این وابستگی اشباع شدن سطح را به دنبال خواهد داشت .]۱۶-۱۷[
شکل ۲-۳ : تصویر شماتیک مدل لایه نشانی تصادفی همراه با نرم سازی
۲-۴ همبستگی در طول فرایند رشد
تمام ناحیه تعریف شده ای که در آن وابستگی وجود دارد، طول همبستگی نامیده می شود و با علامت نشان داده می شود. در ابتدای فرایند رشد مکان ها هیچ ارتباطی به یکدیگر نداشتند اما با افزایش زمان این وابستگی رو به افزایش است، البته در یک سیستم محدود نمی تواند به صورت نامحدود افزایش یابد و اندازه آن توسط اندازه سیستم (L) محدود می شود. هنگامی که طول وابستگی با سایز سیستم برابر شود در تمام فصل مشترک وابستگی ایجاد می شود و نتیجه آن اشباع شدن زبری فصل مشترک است. به همین علت در مدل BD چون در راستای افقی نیز رشد سطح داریم، پس طول وابستگی افقی قابل تعریف است و با گذشت زمان و برابر شدن آن با طول سیستم اشباع صورت می گیرد ولی چون در مدل RD در راستای افقی رشدی نداریم پس طول وابستگی صفر است، در این مدل با گذشت زمان فصل مشترک اشباع نمی شود.]۱۶[
۲-۵ تعاریف متداول در رشد سطح
۲-۵-۱ ناهمواری
یک سطح برای انباشت ذرات مانند شکل ( ۲-۲) در نظر می گیریم. ارتفاع سایت تصادفی در لحظه است. در زمان توصیف فرایند رشد به دلیل تصادفی بودن آن به راحتی امکان پذیر نیست. به منظور کمی کردن فرایند رشد و بررسی پهنای موجود در فصل مشترک سطح رشد یافته، دو تابع از اهمیت بسزایی برخوردارند:
متوسط ارتفاع سطح در حال رشد:
ارتفاع میانگین سطح، متوسط ارتفاع بین سایت های مختلف را اندازه می گیرد. برای این منظور اگر ارتفاع در سایت i ام و در زمان t به اندازه باشد، در آن صورت متوسط ارتفاع به این صورت خواهد بود: