برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۱۱۶
  • بازدید این ماه ۶
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

روش‌های رسوب‌دهی شیمیایی بخار

مقدمه:

     تولید نانوذرات با رسوب دهی شیمیایی بخار از قرن نوزدهم ظهور پیدا کرد. در سال 1960 این روش برای ساخت نیمه هادی ها، پوشش های کاربیدی روی ابزارهای تراشکاری و پوشش های تنگستنی مورد استفاده قرار گرفت.
در سال 1963 رسوب دهی شیمیایی بخار با کمک پلاسما درحوزه الکترونیک بکارگرفته شد. در 1968 کاربید سمانته شده پوشش داده شده با روش CVD در صنعت مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1980 نیز پوشش های الماسی با کمک CVD ظهور پیدا کرد.
امروزه همچنان پژوهش های گسترده ای در راستای گسترش و بهبود روش های رسوب دهی شیمیایی صورت می‌پذیرد.
در این مقاله برخی از روش های تولید نانوذرات با رسوب دهی بخار شیمیایی و اساس عملکرد آنها توضیح داده خواهد شد.
1- انواع روش های رسوب دهی شیمیایی بخار

     منابع زیادی مانند گرما، پلاسما، لیزر، فوتون و ... برای تشکیل لایه نازک با رسوب دهی شیمیایی بخار استفاده می شود. بنابراین روش های زیادی با مکانیسم رسوب شیمیایی بخار منجر به تولید لایه های نازک می شوند. برخی از آنها در ادامه به اختصار توضیح داده شده است.

1-1- CVD گرمایی

     در این فرآیند از انرژی گرمایی برای فعالسازی واکنش های گازی و گاز-جامد استفاده می شود. این فرآیند می‌تواند در حالت های دما بالا یا پایین، فشار بالا یا پایین، دیوار داغ یا سرد انجام شود. در همه این حالت ها گازهای واکنش دهنده به راکتور انتقال یافته و زیرلایه برای افزایش بازدهی رسوب گرم می شود. همچنین محصولات فرعی از راکتور حذف می گردد.

رسوب دهی شیمیایی بخار در فشار اتمسفری (APCVD)

     رسوب دهی شیمیایی بخار در فشار اتمسفری (APCVD) می تواند در دمای بالا و یا پایین مورد استفاده قرار گیرد. پوشش فلزی سخت مانند کاربید تیتانیوم و نیترید تیتانیوم (راکتور دیواره داغ) و لایه های سیسلسیوم اپیتکسیال (راکتور دیواره سرد) معمولا در دمای بالا تولید می شود. تشکیل بسیاری از لایه های نازک (مانند filereader.php?p1=main_6f4922f45568161a8) نیز مستلزم رسوب در دمای پایین است. شکل1 نمایی از این دستگاه را نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل1: راکتور APCVD

کارایی زیرلایه به دلیل نرخ پایین رسوب دهی، کم است. سایر چالش های موجود در این روش شامل عدم یکنواختی ضخامت، پوشش دهی نامناسب سطوح غیر مسطح، آلودگی، دشواری برقراری استوکیومتری واکنش و وجود نواقص حفره ای است.

رسوب دهی شیمیایی بخار در فشار پایین (LPCVD)

     فرآیند رسوب دهی شیمیایی بخار براساس محدوده فشار راکتور به حالت های زیر تقسیم بندی می شود.
- فشار بین 1 تا 100 تور، CVD در فشار کاهش یافته (RPCVD)
- فشار بین 1 تا 10 میلی تور، CVD فشار پایین (LPCVD)
- فشار در نزدیکی filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2 تور، UHVCVD

     در فشار پایین، غلظت بیشتری از گاز متراکم شده و مقادیر بیشتری از گاز به زیرلایه نفوذ می کند. اغلب رشد لایه نازک با نرخ واکنش محدود می شود. نواقص کمتری به دلیل فشار کم وجود دارد. یکنواختی پوشش و ضخامت فیلم در سطوح غیرمسطح بیشتر خواهد بود. این امر به دلیل کاهش واکنش های ناخواسته در فشار پایین است.
     رشد کنترل شده با نرخ واکنش منجر به چسبندگی فشرده زیرلایه در اتاقک LPCVD می شود و این امر باعث افزایش کارایی زیرلایه می گردد. این راکتور می تواند بصورت دیواره داغ و یا سرد استفاده شود. ولی اکثر LPCVDهای تجاری دیواره داغ هستند. راکتورهای دیواره داغ توزیع دمایی یکنواخت تری دارند. اما سطح دیواره راکتور نیز پوشش داده می شود. این راکتور عمدتا برای فیلم های پلی کریستال مناسب است. نرخ واکنش در راکتورهای دیواره سرد کاهش می یابد ولی کیفیت فیلم بهتر کنترل می شود و برای فیلم های اپیتکسیال مناسب است.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل2: نمایی از راکتور LPCVD

بطور کلی از مشخصه LPCVD می توان به نقص کم، عدم نیاز به گاز حامل، نرخ رشد کم، و وابستگی دمایی بالا اشاره کرد.

     انواع ساختارهای نانوبلوری را می توان با استفاده از روش UHVCVD تولید کرد. این روش برای تولید ویفرهای چند لایه‌ای و فیلم‌های اپیتکسیال با کیفیت بالا نظیر ژرمانیوم سیلیکون استفاده می شود. این فرآیند به طور وسیع در صنایع نیمه هادی برای رسوب فیلم های نازک نظیرGaAs روی سیلیکون کاربرد دارد. همچنین به دلیل استفاده از دمای خیلی پایین، برای تهیه ترانزیستورهای فیلم نازک (مورد استفاده در دیودهای PIN) نیز مناسب است.

1-2- رسوب‌دهی شیمیایی بخار آلی فلزی (MOCVD)

     در این فرآیند از مواد اولیه آلی-فلزی نظیر تانتالیوم اتوکسید و تترادی متیل آمینوتیتانیوم (TDMAT) برای تولید روکش هایی از جنس اکسید تیتانیوم (filereader.php?p1=main_1f0e3dad99908345f) و برای تهیه نیترید تیتانیم (TiN) استفاده می شود. واکنش‌دهنده ها در دمای نسبتا پایین فرار هستند. در این روش می توان لایه های نازک اپیتکسیال با کیفیت بالایی در مقیاس نانو ایجاد کرد. هم واکنش دهنده ها و هم محصولات جانبی می تواند خطرناک باشد. وقتی این روش تحت خلاء خیلی بالا قرار گیرد، MOMBE نامیده می‌شود. شکل 3 دستگاه MOCVD را نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345dfilereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6

شکل 3: نمایی از راکتور MOCVD


1-3- رسوب دهی شیمیایی بخار پلاسمایی (PECVD)

     در این روش، پلاسمای RF یا DC در نزدیکی زیرلایه ایجاد می شود. مانند روش کندوپاش، یون های پرانرژی مومنتوم و انرژی خود را به مولکول ها و اتم های گازی واکنش دهنده انتقال می دهند (شکل 4). این انتقال انرژی باعث شکست مولکول ها و کمک به واکنش های شیمیایی می شود. همچنین ممنتوم انتقال یافته به یکنواختی بهتر پوشش کمک می کند. از طرف دیگر پلاسما کیفیت لایه نازک را در دما و فشار پایین تر بهبود می بخشد. به عنوان مثال کاربید تیتانیوم که بصورت نرمال زیر 1200 درجه سلسیوس تشکیل نمی شود، با کمک پلاسما امکان تولید آن در 700 درجه سلسیوس فراهم می گردد. زمانیکه لایه های فلزی (مانند Al) بین لایه های دی‌الکتریک (عایق مانند filereader.php?p1=main_6f4922f45568161a8) قرار گرفته است، استفاده از دمای پایین بسیار مفید می باشد.
     در مقایسه با روش کندوپاش، در این روش فشار بالاتر (5 تا 50 میلی تور) است. بنابراین یون ها با انرژی کم‌تری به زیرلایه برخورد می کنند (ذرات بیشتر بایکدیگر برخورد کرده و انرژی خود را از دست می دهند). این امر نواقص کندوپاش را روی زیرلایه کاهش می دهد.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915

شکل 4: نمایی از راکتور PECVD

انواع راکتورهای PECVD

1- راکتور نوع رینبرگ (Reinberg) (مستقیم):

* واکنش دهنده ها، محصولات جانبی، زیرلایه و پلاسما در یک فضا هستند.
* طراحی موازی صفحات
* زیرلایه چرخنده
* پلاسمای RF

2- راکتور جریان پایین (Downstream) (غیرمستقیم):
* پلاسما در یک اتاقک جدا ایجاد شده و به راکتور پمپ می شود.
* کنترل بهتر کیفیت فیلم، خلوص و استوکیومتری

     در رسوب دهی شیمیایی بخار پلاسمایی میکروویو (MPCVD)، ماده اولیه در پلاسمایی که از برهمکنش امواج مایکروویو و مخلوط گازی (معمولاً مخلوط گازهایfilereader.php?p1=main_3c59dc048e8850243 ،filereader.php?p1=main_98f13708210194c47 ) ایجاد می شود، قرار می گیرد. این برهمکنش فرآیند هسته‌زایی ناهمگن (هتروژن) را القا می کند. در مرحله بعد هسته های مذکور به یکدیگر چسبیده و فیلم یکنواختی را تشکیل می دهند. جهت گیری هسته های اولیه وابسته به جریان DC اعمال شده و تاثیرات پلاسما می باشد. مورفولوژی (ریخت‌شناسی) روکش های ایجاد شده از این روش به چندین پارامتر نظیر فشار، ترکیب گاز، و بستر سیلیکون و... بستگی دارد.
     رسوب‌دهی شیمیایی بخار پلاسمایی دور (RPCVD) مشابه روش PECVD است و تنها تفاوت آن در موقعیت ویفر نسبت به پلاسمای ورودی است. در واقع ویفر به طور مستقیم در ناحیه پلاسما قرار نمی‌گیرد. خارج کردن ویفر از ناحیه پلاسما باعث می‌گردد فرآیند در دمای اتاق انجام شود.

1-4- رسوب دهی شیمیایی بخار لایه اتمی(ALCVD)

     در فرآیند رسوب دهی شیمیایی بخار لایه اتمی، دو ماده اولیه به عنوان مثال (آب و filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde) به طور متناوب داخل محفظه واکنش وارد می شوند. یکی از این مواد در غیاب ماده دوم روی سطح یک ویفر (سطحی که رسوب روی آن ایجاد می شود) جذب می شود. جذب این ماده تا اشباع شدن سطح ادامه می یابد. سپس ماده دوم به محیط اضافه شده و واکنش انجام می پذیرد. ضخامت فیلم با مقدار ماده ورودی به محفظه واکنش کنترل می‌گردد. در این روش امکان کنترل دقیق ضخامت فیلم و یک شکل بودن آنها وجود دارد (شکل 5 و 6).

الف                                                                                           ب 
بخار آب جذب سطح شده و گروه هیدروکسیل با سیلیکون                     تری متیل آلمینیوم به محفظه اضافه می شود و با گروه         پیوند برقرار می کند (Si-O-H)                                                   هیدروکسیل روی سطح واکنش می دهد و متان به
                                                                                            عنوان محصول واکنش تولید می شود.
filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597

filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02     filereader.php?p1=main_c20ad4d76fe97759a

   ج
    مراحل بالا مجدد تکرار می شود و لایه هایfilereader.php?p1=main_9bf31c7ff062936a9بر روی هم تشکیل می شود. واکنش های انجام شده در هر سیکل:
filereader.php?p1=main_c51ce410c124a10e0

filereader.php?p1=main_aab3238922bcc25a6

شکل 5: مراحل تشکیل فیلم نازک با روشALD


filereader.php?p1=main_c74d97b01eae257e4
شکل 6: نمایی از دستگاه ALCVD

2- مزایا و معایب عمومی روش CVD

مزایا:

_ با توجه به ماهیت واکنش ها، لایه نشانی روی زیرلایه های حفرهدار هم به خوبی قابل انجام است، ضخامت لایه   یکنواخت و مستقل از شکل بستر است.
_ سرعت لایه نشانی نسبتاً بالاست (10 تا 100 نانومتر بر ثانیه)
_چسبندگی آن بهتر از روش های فیزیکی است .
_ این روش برای لایه نشانی های چندلایه ای، بسیار مناسب است.
_ فرآیند را در فشار معمول می توان کنترل نمود.

معایب:

_ با توجه به اینکه واکنش های قابل قبول در درجه حرارت های پایین به ندرت قابل انجام است، بنابراین در این روش، انجام واکنش ها نیاز به درجه حرارت بالایی دارد که این موجب ایجاد تنش-های حرارتی می شود که یک عامل منفی روی لایه و زیرلایه قلمداد می شود.
_در بعضی واکنش های لایه نشانی به دلیل استفاده از بخارهای خورنده امکان تخریب زیرلایه وجود دارد.
_ کنترل واکنش ها و در نتیجه کنترل یکنواختی بسیار مشکل است.
_ جزئیات ترمودینامیک در این روش بسیار پیچیده و کنترل آنها گاهی بسیار سخت می شود.
_ امکان بروز واکنش های ناخواسته در این روش وجود دارد که گاهی ممکن است موجب اشکالات جدی در لایه نشانی و یا داخل راکتور شود.
_ امکان وجود خطر انفجار هیدروژنی در راکتور وجود دارد.
_ اکثر مواد واکنش دهنده گران هستند.

3- مقایسه روش های CVD

در جدول زیر برخی از مزایا، معایب و کاربردهای 4 روش مختلف CVD ارائه داده شده است.

جدول 1: مزایا، معایب و کاربردهای روش مختلف CVD

filereader.php?p1=main_70efdf2ec9b086079

نتیجه گیری

     روش های رسوب دهی شیمیایی بخار در دماهای بالا و فشار پایین انجام می شود. سه مرحله اصلی این روش ها عبارتند از واکنش سطحی (سینتیکی)، نفوذ (انتقال جرم) و واجذب. CVD براساس نوع منبع گرمایی، دما و فشار اتاقک به چندین روش تقسیم می شود. هر یک از این روش ها براساس هزینه مورد نیاز، یکنواختی پوشش، قابلیت ایجاد لایه اپیتکسیال، کنترل مشخصه لایه نازک تولید، دارای مزایا و معایبی هستند.

منابـــع و مراجــــع

1. Ch. .Bhattacharjee and A. Nath, Review article Chemical vapour deposition (CVD) technique and the synthesis of carbon nano materials (CVMs).

2. M. Kumar and Y. Ando, Review article Chemical vapour deposition of carbon nano tubes: a review in growth mechanism and mass production.

3. M. Kumar and Y. Ando, Chemical Vapor Deposition of Carbon Nanotubes: A Review on Growth Mechanism and Mass Production

4- C. Jones, Chemical Vapour Deposition: Precursors, Processes and Applications