برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۳/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۱

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۲,۹۰۹
  • بازدید این ماه ۵۷۸
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۶۰۸
  • قبول شدگان ۴۷۶
  • شرکت کنندگان یکتا ۲۵۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۴
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

معرفی روش‌های رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD)

در لایه‌نشانی دو روش کلی رسوب‎گذاری فیزیکی و شیمیایی از فاز بخار مطرح است که هدف از این مقاله، مروری بر روش عملکرد و اصول کلی فرایند رسوب‌گذاری شیمیایی از فاز بخار(CVD) است. همچنین در این مقاله، مزایا و معایب این روش نسبت به سایر روش‌ها آورده شده است. روش رسوب‌گذاری شیمیایی از فاز بخار خود شامل انواع روش‌های طبقه‌بندی شده است که با توجه ظرافت‌ها و پیچیدگی‎های روش، قابل انتخاب است.
1- تاریخچه روش CVD
رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار (Chemical Vapor Deposition) از ابتدا به عنوان یک راه مؤثر برای ساخت طیف وسیعی از قطعات و محصولات، به عنوان یک فرآیند تولید جدید در چندین بخش صنعتی شامل صنعت نیمه‌هادی، صنعت سرامیک و غیره توسعه داده شده است. روش فوق، بر اثر تلاش زیاد محققان دانشگاهی و صنعت در واحدهای تحقیق و توسعه از گستره اولیه خود در صنایع نیمه‌هادی و میکروالکترونیک بسیار فراتر رفته است. از دلایل توسعه‌پذیر بودن روش‌های CVD می‎توان به توانایی تولید لایه‎هایی با تنوع زیاد، پوشش فلزات، نیمه‌رساناها و ساخت لایه‌هایی با ترکیبات آلی و غیرآلی اشاره کرد. لایه‎های ایجاد شده معمولاً در شکل بلوری یا شیشه‎ای (آمورف) و با کنترل خواص مطلوب به دست می‌آیند.
CVD جزء تکنیک‌هایی است که به طور نسبی پیشرفت زیادی داشته است. به طور کلی در روش CVD، یک ماده جامد از واکنش شیمیایی در فاز بخار (یا بر سطح بستر) به وجود می‎آید. تشکیل دوده به دلیل اکسید شدن ناقص هیزم در حال سوختن، در زمان‌های قبل از میلاد، احتمالاً قدیمی‎ترین نمونه رسوب‎گذاری با استفاده از CVD بوده است. بهره‎برداری صنعتی از CVD به مقاله de Lodyguine در سال 1893 مربوط می‎شود که تنگستن (W) را بر روی رشته‎های لامپ کربنی از طریق کاهش WCl6 به وسیله H2 رسوب داده بود.
در 40 سال گذشته کاربردهای CVD به طور قابل ملاحظه‌ای با تکیه بر جنبه‎های رسوب‎گذاری (Deposition) رشد بسیار زیادی داشته است. با پیشرفت فرآیند CVD این تکنیک مهم در پوشش‎دهی، برای تولید لایه‎های نازک نیمه‌هادی‌ها و پوشش‌هایی با خصوصیات سطحی بهبود یافته استفاده شده است. بهبود در خصوصیاتی همچون محافظت در برابر سایش، خوردگی، اکسید شدن، واکنش‌های شیمیایی، تنش حرارتی و فرآیندهای جذب نوترون از این دسته‎اند.

2- اساس روش CVD
در ساده‎ترین صورت آن، CVD شامل جریان گاز یا گازهای پیش‌ماده در یک محفظه (Chamber) است. در محفظه فوق یک یا چند سطح گرم که قرار است پوشش‌دهی شوند، وجود دارد. در این روش، واکنش‌های شیمیایی بر روی (یا در نزدیکی) سطوح داغ رخ می‎دهد. در نتیجه رسوب به صورت یک فیلم نازک بر روی سطح به وجود می‎آید. این فرآیند منجر به تولید مواد شیمیایی می‎شود. همچنین مواد زائد و محصولات جانبی نیز به وجود می‎آیند که از محفظه، همراه با گازهای پیش‎ماده که واکنش نداده‎اند، خارج می‌شود. رسوب‎دهی به طور معمول در دماهای حدود 1000 درجه سانتیگراد انجام می‎پذیرد. برخلاف رسوب‌دهی فیزیکی از فاز بخار (PVD) که فرایندهایی مانند تبخیر، پراکنش و تصعید را شامل می‌شود، روش CVD دربرگیرنده تغییرات (واکنش‎های) شیمیایی در پیش‎ماده (یا بین پیش‎ماده‎ها) است.
شکل 1، مثال نوعی از سیستم CVD است، که در آن گازهای واکنش‌دهنده، که به طور معمول گازهای پیش‎ماده گفته می‌شود، (در اینجا CH3SiCl3 و H2) در دمای مناسب وارد محفظه واکنش می‎شوند. همان‌طور که گازها از راکتور می‎گذرند، گازها در تماس با بستر (substrate) داغ قرار می‌گیرند؛ سپس واکنش می‎دهند و یک لایه جامد SiC بر روی بستر رسوب داده می‎شود. معمولاً از یک گاز خنثی مانند آرگون (Ar) به عنوان رقیق‌کننده استفاده می‌شود. دما و فشار رسوب‌دهی دو عامل محدودکننده هسند. در انتهای واکنش، گازهای خروجی شامل HCl توسط NaOH به دام انداخته می‌شوند و قبل از خروج به اتمسفر توسط N2 متراکم می‎شوند.

filereader.php?p1=main_44a50f07b4bdc5774
شکل 1. مثالی از یک سیستم CVD

بنابراین CVD یک نام عمومی برای گروهی از فرایندهاست که شامل ایجاد یک لایه نازک توسط واکنش شیمیایی و رسوب‌دهی لایه جامد بر روی بستر می‌شود. به طور کلی می‌توان گفت در حین فرایند CVD مراحل زیر اتفاق می‌افتند:
1. حمل و نقل جرم‎گونه‎های گازی واکنش‎دهنده به مجاورت بستر؛
2. انتشار (Diffusion) گونه‌های واکنش‎دهنده از طریق لایه مرزی به سطح بستر یا واکنش‌های شیمیایی همگن برای تشکیل گونه‌های حد واسط؛
3. جذب گونه‎های واکنش‎دهنده یا حد واسط بر روی سطح بستر؛
4. مهاجرت سطحی، واکنش ناهمگن، ورود اتم (پوشش‌دهی) به سطح در حال رشد و تشکیل محصولات جانبی؛
5. دفع محصولات جانبی در واکنش سطحی؛
6. نفوذ محصولات جانبی به توده گاز؛
7. انتقال محصولات جانبی به خارج از محیط واکنش.

3- مزایا و معایب روش CVD
مانند سایر روش‌ها، CVD دارای مزایایی است که مواردی در ذیل آورده شده‎اند:
1. فیلم‌های تشکیل شده با روش CVD به طور معمول منسجم هستند بدین معنی که ضخامت لایه در تمامی نقاط قابل مقایسه و یکنواخت است.
2. توانایی رسوب گستره وسیعی از مواد.
3. رسوب‌دهی مواد قابل رسوب با درجه خلوص بسیار بالا.
4. سرعت رسوب‎دهی مواد، نسبتاً بالا است.
5. نیاز نداشتن به شکست خلأ برای رسوب لایه‌های مختلف.
6. این روش توانایی کنترل ساختار کریستال، مورفولوژی سطح، استوکیومتری و جهت‌دهی رسوب را دارد.
 
البته قابل ذکراست که این روش دارای معایبی نیز هست:
1. این روش ایمنی کمی دارد و پیش‎ماده‎ها گاه آلاینده یا انفجارپذیر هستند.
2. هیدرات‌ها و کربونیل‎ها سمی هستند (برای تولید ترکیبات فرار).
3. مواد آلی فلزی در تماس با هوا آتش‎گیر هستند.
4. تولید لایه‎هایی با خلوص بالا، نیازمند هزینه بالایی است.

4- کاربردهای فرایند CVD
در یک فرآیند CVD یک لایه از ماده در معرض یک یا چند ماده تبخیر شده قرار می‌گیرد و طی آن مواد اولیه با لایه مذکور واکنش داده و تجزیه شده، محصول رسوبی مورد نظر را به وجود می‌آورند. البته محصولات جانبی نیز به وجود می‎آیند که به وسیله گاز خارج می‎شوند. رسوب‎دهی شیمیایی از فاز بخار به طور وسیع درتولید نیمه‎هادی‌ها (به عنوان یک بخش از فرآیند تولید نانوساختارهای نیمه‎هادی) و برای رسوب فیلم‎های گوناگون نظیر سیلیکون‎های پلی کریستال، آمورف، اپی تکسیال، سیلیکون، ژرمانیوم، تنگستن، سیلیکون نیترید، سیلیکون اکسی نیترید و تیتانیم نیترید استفاده می‌شود. فرآیند CVD برای تولید الماس سنتزی نیز کاربرد دارد. این فرآیند برای پوشش‎دهی قطعات مختلف و رسیدن به خواص نوری، الکتریکی، گرمایی، مکانیکی و مقاومت به خوردگی ماده به کار می‎رود. این روش همچنین برای تشکیل فیلم‎ها و الیافی که برای فیلتر کردن مواد کامپوزیت مصرف می‎شوند، کاربرد دارد.

5- انواع روش‎های CVD بر اساس پیش‎ماده
پیش‎ماده‌های گازی بیشتر مورد توجه هستند و ترجیح داده می‎شوند زیرا به آسانی می‌توان پارامترهای گازی آن‌ها را کنترل کرد. برای فرآیندهای CVD، هر دو مواد مایع و جامد معمولاً به عنوان پیش‎ماده استفاده می‎شوند. در برخی از موارد برای تولید، آن‎ها باید به اندازه کافی  گرم شده و به دمای مورد نیاز برسند، سپس توسط یک گاز حامل به محفظه واکنش انتقال داده شوند.

1-5- پیش‌ماده گازی
منظور منابعی است که در دمای محیط به صورت گاز وجود دارند. این مورد برای انتقال پیش‎ماده‎های گازی با استفاده از کنترل‎کننده‎های فشار، پمپ‎ها و جریان‎سنج‎ها بسیار راحت است. به هر حال، برخی از پیش‎ماده‎های گازی پیروفوبیک (pyrophobic)، گران‌قیمت و خطرناک هستند. بنابراین، آن‎ها را با یک گاز بی‎اثر رقیق می‎کنند. به علاوه، این نیز مهم است تا اطمینان حاصل شود که هیچ واکنش شیمیایی بین پیش‎ماده‌های گازی و همه اجزای جریان‎سنج، سوپاپ‎ها، گیج و لوله برای به حداقل رساندن خوردگی وجود ندارد. از نشت کردن نیز باید در سیستم ورود گاز اجتناب شود.

2-5- پیش‎ماده مایع
بسیاری از پیش‎ماده‎های CVD در دمای اتاق در حالت مایع هستند. پیش‎ماده جهت تبخیر و انتقال توسط یک گاز حامل به محفظه واکنش، بایستی تا دمای مناسبی حرارت داده شود. همان‌طور که در شکل زیر مشخص است، به طور کلی به 3 طریق می‎توان پیش‎ماده مایع را تبخیر و به محفظه واکنش انتقال داد: تبخیر مستقیم (1) که در آن بخار به صورت مستقیم و بدون نیاز به گاز حامل انتقال داده می‌شود، انتقال با گاز حامل (2) که از روی مایع عبور داده می‎شود و حباب‎سازی درون مایع (3) که گاز حامل از پایین مایع آزاد می‎شود و به سمت بالا و محفظه واکنش می‎آید. از بین روش‎های گفته شده روش حباب‎سازی ارجحیت بیشتری دارد زیرا این روش آسان‌تر است و سریع‌تر مخلوطی از گاز یکنواخت به دست می‎دهد.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636

3-5- پیش‎ماده جامد
استفاده از پیش‎ماده‎های جامد دارای مشکلاتی است زیرا باید تا دمای تبخیر شدنشان حرارت داده شوند که در برخی موارد دمای بسیار بالایی نیاز است. سنتز در محل (in situ) اغلب برای تولید پیش‎ماده‌های جامد استفاده می‎شود. بدین صورت که مواد سازنده به صورت جدا در مسیر عبور گاز حرارت داده می‌شوند و با یکدیگر ترکیب شده و ماده مورد نظر را به وجود می‎آورند که در همین حین بر روی سطح بستر نیز نشانده می شود.

6- انواع روش‎های CVD براساس خصوصیات فیزیکی بخار
1-6- CVD به کمک آئروسل (Aerosol assisted CVD, AACVD): روشی است که در آن پیش‎ماده با استفاده از آئروسل مایع/گاز، که می‌تواند به صورت اولتراسونیک تولید شود، به بستر منتقل می‎گردد. این روش برای استفاده پیش‎ماده غیرفرار مناسب است.

2-6- CVD تزریق مایع مستقیم (DLICVD): روشی است که در آن پیش‌ماده به شکل مایع است (مایع یا جامد محلول در یک حلال مناسب). محلول‌ها یا مایع در یک محفظه تبخیر نسبت به انژکتور (به طور معمول انژکتور خودرو) تزریق می شود. سپس بخارات پیش‌ماده به بستر همانند CVD کلاسیک منتقل می‌شود. نرخ رشد بالا را می‌توان با استفاده از این روش به دست آورد.

3-6- روش‎های مبتنی بر پلاسما
1-3-6- CVD کمک شده با پلاسما مایکروویو (Microwave plasma-assisted CVD, MPCVD)
2-3-6- CVD ارتقا یافته با پلاسما (Plasma-Enhanced CVD, PECVD): روشی است که در آن با بهره‎گیری از پلاسما به منظور افزایش نرخ مواد شیمیایی واکنش پیش‎ماده استفاد می‎شود. فرآیند PECVD اجازه می‎دهد تا رسوب در دماهای پایین‎تر، که اغلب در ساخت نیمه‎هادی‎ها ضروری است، به کار برده شود.

4-6- CVD لایه اتمی (Atomic-layer CVD, ALCVD): رسوبات لایه‌های پی در پی از مواد مختلف جهت تولید لایه، فیلم بلوری است.

5-6- CVD احتراقی (Combustion Chemical Vapor Deposition, CCVD): رسوب‎دهی شیمیایی از فاز بخار با احتراق یا تجزیه در اثر حرارت شعله، روش مبتنی بر اتمسفر باز (open-atmosphere) برای رسوب فیلم نازک نانوساختار با کیفیت بالا است.

6-6- CVD آلی فلزی (Metal organic CVD, MOCVD): از این روش برای پیش‌ماده‌های آلی فلزی استفاده می‎شود.

7-6- CVD گرمایی سریع (Rapid Thermal CVD, RTCVD): این فرایند CVD از لامپ‌های گرمایشی یا روش‎های دیگر برای سریع گرم کردن ویفر بستر استفاده می‌شود. گرمایش تنها بستر به جای گاز یا اتاق دیوار می‎تواند سبب کاهش واکنش‎های فاز گاز ناخواسته شود که می‌تواند به شکل‌گیری ذرات کمک کند.

8-6- CVD آغاز شده با فوتون (Photon Initiated VD, PICVD): در این فرایند از نور UV برای تحریک واکنش‌های شیمیایی استفاده می‎شود. این روش شبیه به فرآیند پلاسما است، با توجه به این‌که پلاسما تشعشع قوی از اشعه UV است.

7- انواع روش‌های CVD براساس فشار
1-7- CVD در فشار اتمسفری (Atmospheric pressure CVD, APCVD): در فشار محیط کار می‎کنند.
2-7- CVD فشار پایین (Low-pressure CVD, LPCVD): در فشار کمتر از اتمسفر کار می‌کند. فشار برای کاهش واکنش‌های ناخواسته گازی جهت یکسان‌سازی در هنگام رسوب‎دهی کاهش می‌یابد.
3-7- CVD در خلأ بسیار بالا (Ultrahigh Vacuum CVD, UHVCVD): در فشارهای بسیار پایین به طور معمول تا پایین‌تر از 6-10 پاسکال کار می‌کند.

8- مقایسه بین CVD و PVD
CVD فرآیندی است که نیروی پرتاب بالایی دارد و رسوب‌گذاری در آن بر خلاف روش‎های پراکنشی، تبخیری و دیگر فرآیندهای PVD که رسوب‌گذاری در آن‌ها به صورت جهت‎دار صورت می‎پذیرد، جهت‎دار نیست. بنابراین می‌تواند برای پوشش دادن شکل‌های پیچیده و رسوب لایه‎های با تطبیق‎پذیری عالی به کار برده شود. گودی‎های عمیق، سوراخ‎ها و دیگر شکل‎های سه بعدی پیچیده معمولاً با استفاده از روش CVD به راحتی می‌تواند پوشش داده شود و این ویژگی فرآیند CVD باعث برتری آن نسبت به PVD است.
CVD در مقایسه با PVD دارای پیچیدگی بیشتری است و برای به دست آوردن شرایط رشد مناسب نیازمند تست‎های زیادی است. واکنش‎های شیمیایی به طور کلی شامل گونه‎های گازی مختلف و تولید شماری از گونه‎های واسطه است. همچنین این روش دارای گام‎های پیاپی برای رسوب‎دهی است.
CVD در مقایسه با PVD نیازی به خلأ بالا ندارد و دستگاه به راحتی می‎تواند با شرایط محیطی سازگار گردد که این انعطاف‌پذیری از مزایای بسیار خوب این روش است.

9- نتیجه‎گیری
رسوب شیمیایی از فاز بخار، فرایندی است که در آن ترکیبات فرار یک ماده و گازهای دیگر برای تولید و رسوب دادن یک جامد غیرفرار به طور اتمی بر روی یک زیرلایه مناسب به کار گرفته می‎شوند. امروزه فرایندهای CVD برای تولید لایه‎های نازک و پوشش‎ها، کاربردهای زیادی در ساخت وسایل مختلف دارند. برای رسوب دادن با عایق‎بندی و لایه‎های منفعل (برای جلوگیری از خوردگی الکترو شیمیایی )که محرک توسعه روش‎های فرایند CVD است، به لایه‎های تک محور با کیفیت بالا نیاز است.

در فیلم زیر، در رابطه با روش CVD، اجزا تشکیل‎دهنده دستگاه آن، انواع روش‎های CVD و مزایا و معایب آن توضیحاتی ارائه شده است.

 

منابـــع و مراجــــع

1. H O. Pierson, “handbook of chemical vapor deposition (CVD) principles, technology, and applications”, 2th Ed, noyes publications Park Ridge, New Jersey, U.S.A, 2001.

2.K. L. Choy, “Chemical vapour deposition of coatings”, Materials Science 48 (2003) 57–170

3. Y. Xu; X. T. Yan, “Chemical Vapor Deposition, an Integrated Engineering Design for Advanced Materials” Springer, 2008.

4. C.A. Dorval Dion; J.R. Tavares, “Photo-Initiated Chemical Vapour Deposition as a Scalable Particle Functionalization Technology (A Practical Review)”. Powder Technology, 239 (2013) 484–49.

5. K. K. S. Lau; J. A. Caulfield; Karen K. Gleason, “Structure and Morphology of Fluorocarbon Films Grown by Hot Filament Chemical Vapor Deposition” Chem. Mater., 12 (2000 3032–3037.