همچون سایر روش‌های رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار (CVD)، رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسما (PECVD) فرایندی برای لایه‌نشانی (رسوب‌دهی) فیلم‌های نازک از یک ماده در حالت گاز (بخار) بر روی یک بستر است. در این فرآیند، با کمک تشکیل پلاسما (بیشتر تحت عنوان پلاسمای سرد شناخته می‌شود) در محفظه لایه‌نشانی، دمای کلی برای انجام فرآیند پایین می‌آید (به اعمال دمایی کمتر از دمای فرآیندهای ترموشیمی معمول نیاز است). از طرفی برخلاف روش‌های رسوب‌دهی فیزیکی از فاز بخار PVD (شامل روش کندوپاش و نهشت یونی –Ion Plating-…)، در طی فرایند PECVD واکنش‌های شیمیایی انجام می‌پذیرند. پلاسما معمولاً با تخلیه الکتریکی بین دو الکترود ایجاد می‌شود که فضای بین آن‌ها با گازهای واکنش‌دهنده پر شده است. پلاسما می‌تواند با جریان مستقیم یا با فرکانس رادیویی یا جریان متناوب به وجود آید. از مهمترین کاربردهای PECVD می‌توان به لایه‌نشانی مدارهای مجتمع و همچنین سطوح اپتوالکترونیکی (زمانی که استفاده از دمای بالا در راکتور ناممکن است) اشاره کرد.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- پلاسما
1-2- پلاسمای تولید شده با تخلیه الکتریکی (جریان مستقیم و جریان متناوب)
3- راکتورهای مورد استفاده در رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسما
4- کاربردهای رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسما
5- نتیجه گیری
1- مقدمه
همان طور که در مقالات دیگر اشاره شد، CVD روشی پیشرفته و کاربردی است که در مهمترین کاربرد خود می‌تواند برای تهیه فیلم‌های نازک و همچنین تولید نانوپودرها به‌کار رود. واکنش در CVD به‌صورت ناهمگن (Heterogeneous) در سطح یک بستر (معمولاً داغ) و در محیط گازی واکنشدهندهها اتفاق می‌افتد. این واکنشها صرفاً بر اساس ترموشیمی (Thermochemical reactions) بنا نهاده شده است. در بسیاری از کاربردها، دمای بالای مورد نیاز برای به دست آوردن نرخ رسوب‌گذاری قابل قبول، به عنوان یک عدم مزیت تلقی می‌شود. به عنوان مثال، رسوب‌دهی نیترید تیتانیوم (TiN) بر روی ابزار فولادی می‌بایست در دماهای بالاتر از دمای نرم شدن این ابزار انجام شود. پوشش TiN معمولاً برای ایجاد سختی در لبه‌های ابزار برش به‌کار می‌رود. به عنوان مثال دیگر، رسوب‌دهی شیمیایی سیلیکون نیترید به عنوان یک عامل پوشاننده مدارهای مجتمع با مشکل جدی مواجه است. از آنجا که آخرین زیرلایه معمولاً آلومونیوم با دمای ذوب 600 درجه سانتی‌گراد است، نشست سیلیکون نیترید با CVD معمولی به 800 تا 900 درجه سانتی‌گراد دما نیاز دارد. همین عامل یک سد تکنیکی بزرگ است. یکی از راه حل‌های موجود برای این دست مشکلات، استفاده از تخلیه نورانی (Glow Discharge) در واکنش‌های گازی برای ایجاد مقدار بالا (بیش از حالت تعادل) از رادیکال‌های آزاد است. در این حالت گونه‌های تهییج شده (Excited) لایه‌نشانی را در دماهایی پایینتر از حد معمول با موفقیت پیش می‌برند. در نهایت شار رادیکال‌های آزاد به سطح بستر در دماهای پایین به اندازه کافی است که نرخ رسوب‌گذاری قابل قبول را فراهم می‌آورد. بر همین اساس، گاه این فرآیند را شبیه به فرآیندهای PVD می‌دانند، زیرا مانند فرآیند کندوپاش واکنشی (Reactive sputtering) و همچنین نهشت یونی (Ion-plating)، با بمباران سطح توسط عوامل فعال و پرانرژی عمل می‌کند.
به‌طور معمول راکتورهای تجاری PECVD به وسیله فرکانس رادیویی (Radio Frequency- RF) عمل می‌کنند و در نهایت یک پلاسما با فشار پایین ایجاد می‌کنند. پلاسما بر اثر یونیزاسیون جزئی (Fractional Ionization) به وجود می‌آید و از اینرو دمای بسیار بالایی نخواهد داشت. از این جهت گاه به عنوان پلاسمای سرد (Cold Plasma) یا کم چگال (Low Density) نیز اتلاق می‌شود. گازهای واکنش توسط برخورد الکترون یونیزه و تفکیک می‌شوند و در توده پلاسما، تعداد مساوی از الکترون‌ها و یون وجود دارد. همان‌طور که ذکر شد به دلیل فشار و نرخ تخلیه نسبتاً پایین در این راکتورها، پلاسما به صورت چگال وجود نخواهد داشت.
روش رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسما (PACVD یا PECVD) اولین بار در دهه ۱۹۶۰ برای کاربردهای نیمهرسانا توسعه داده شد و استفاده آن برای رسوب نیترید سیلسیم (سیلیکون نیترید) بود. از آن زمان به بعد، این روش به شدت گسترش یافت و در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار گرفت و هم اکنون نسبت به فرآیند CVD از اهمیت بیشتری برخوردار است.
2- پلاسما
پلاسما، یک گاز یونیزه شده حاوی غلظت بالایی از کاتیون‌ها و الکترون است (غلظت این دو به نحوی است که که بار کلی صفر است). وقتی محیط پلاسما در میدان الکتریکی قرار بگیرد، انرژی میانگین الکترون‌ها بالا می‌رود. به دلیل بار زیاد و وزن ناچیز، الکترون‌ها بیشتر از ذرات سنگینتر مانند اتم، مولکول و یون تحت تأثیر میدان قرار می‌گیرند. در نتیجه درجه حرارت الکترون می‌تواند 20000 درجه کلوین یا بالاتر باشد، در حالی که دمای گاز در نزدیکی دمای اتاق باقی مانده است. در گام بعد، به دلیل برخورد الکترون‌ها با سایر مولکول‌ها، تعداد بیشتری از رادیکال‌های آزاد و گونه‌های تهییج شده به وجود می‌آیند. مولکول‌های گاز می‌توانند بر اثر برخورد الکترون‌های پرانرژی یونیزه، تفکیک (Dissociation) یا تهییج شوند. هندسه و شرایط راکتور (مثل شدت جریان گاز، هندسه فضایی الکترودها، شدت تخلیه و …) منجر به تغییر پلاسمای ایجاد شده و همچنین تغییر در نفوذ یون‌ها یا مولکول‌های تهییج شده به بستر و کیفیت فیلم نهایی می‌شود. دمای نهایی به فشاری که در آن تخلیه اعمال می‌شود، وابسته است. در امتداد سطوح الکترودها، یک غلاف نازک شکل می‌گیرد که در آن خنثی بودن بار الکتریکی دیگر وجود ندارد. دلیل آن است که الکترون‌ها با شتاب بیشتری حرکت می‌کنند و در نتیجه محیط پلاسمای ایجاد شده تا اندازهای مثبت می‌شود. همین اختلاف پتانسیل ایجاد شده باعث می‌شود تا یون‌های مثبت با انرژی بیشتری از غلاف پلاسما (که بار مثبت دارد) به سمت بستر رانده شود (بمباران یونی). در کل می‌توان گفت که رفتار الکترون‌ها، یون‌ها و اتم‌ها با گذشتن از این غلاف از توده پلاسما به سطح بستر، ماهیت عمده فیلم حاصل را تعیین می‌کند.
1-2- پلاسمای تولید شده با تخلیه الکتریکی (جریان مستقیم و جریان متناوب)
یکی از راههای مناسب برای رسیدن به پلاسمای یک گاز، استفاده از انرژی الکتریکی (تخلیه الکتریکی) است. اعمال یک تخلیه الکتریکی توسط یک ولتاژ DC در یک گاز کم فشار (تقریباً 1 تور)، ظاهری غیریکنواخت را در لوله راکتور بین دو الکترود به وجود می‌آورد. در اطراف کاتد (قطب منفی) یک غلاف (محدوده‌ای که از نظر بار الکتریکی خنثی نیست) به‌وجود می‌آید. علاوه بر ناحیه درخشان، نواحی تاریک نیز در محدوده غلاف دیده می‌شود. الکترون‌ها به دلیل جرم پایین خود، با سرعت زیاد به سمت آند شتاب پیدا می‌کنند و به همین دلیل به آن‌ها گاز “داغ” می‌گویند. یون‌ها یک میدان الکتریکی قوی در نزدیکی کاتد تحمل می‌کنند (تجربه می‌کنند)، که سبب شتاب گرفتن آن‌ها به سمت کاتد می‌شود و به دلیل سرعت کم آن‌ها، مولکول‌های گازی “سرد” نامیده می‌شوند. در اینجا، غلاف، ناحیه کنار کاتد است که در آن بار خنثی نیست (بار الکتریکی خنثی نیست) و برخوردهای کمی در آن اتفاق می‌افتد. یک غلاف نیز در محدوده آند (قطب مثبت) ظاهر می‌شود. در بین دو الکترود، یک ناحیه الکتریکی خنثی وجود دارد (مقدار بارهای مثبت و منفی یکسان است) که دارای بیشترین شدت تابش نور نیز هست. این قسمت نورانی همان پلاسمای مورد نظر است که رسانش الکتریکی بسیار بالایی نیز دارد. در صورت استفاده از جریان AC، غلاف‌های نسبتاً مشابه در اطراف دو الکترود تشکیل می‌شود.
در ناحیه پلاسما، بخار واکنشدهندهها در اثر برخورد با الکترون‌ها، یونیزه و تجزیه شده و در نتیجه رادیکال‌ها و یون‌های شیمیایی فعال، در نزدیکی سطح زیرلایه داغ یا روی آن دست‌خوش واکنش شیمیایی ناهمگن شده و شروع به لایه‌نشانی می‌کنند.
معمول‌ترین بسامدهای رایج در CVD از بسامد مایکروویو با مقدار 2/45 گیگاهرتز تا بسامد رادیویی در حدود 13/45 مگاهرتز است. پلاسمای جریان متناوب در فرکانس رادیویی (RF) تولید می‌شود و بنابراین از بسامدهایی در حدود 13/45 مگاهرتز استفاده می‌شود.
3- راکتورهای مورد استفاده در رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسما
برای درک رفتار مناسب پلاسما و PECVD بهتر است که راکتورهای مورد استفاده به طور ویژه توضیح داده شوند. راکتور جایی است که پلاسما در مخلوط گاز مناسب ایجاد شده است، به طوری که یک فیلم نازک قابل قبول بر روی زیرلایه مورد نظر رشد می‌کند. یک مخلوط گازی می‌تواند در سامانه CVD حرارتی (فاقد پلاسما)، هم در فاز گازی و هم بر روی سطح بستر واکنش دهد. در PECVD نیز رسوب‌دهی بر روی بستر و همچنین در محیط گازی محتمل است، با این تفاوت که در اینجا در نزدیکی سطح بستر، به دلیل تجزیه مخلوط گازی اولیه و برخوردهای الکترون‌های پر انرژی، گازهای متنوعتری موجود است و در نهایت تنوع گونه‌ها در نزدیکی سطح بیشتر است.
اساساً 3 شکل هندسی راکتور برای لایه‌نشانی یک فیلم نازک با استفاده از پلاسما موجود است که در شکل 2 نشان داده شده است. در اولین مورد (الف)، یک جفت الکترود در معرض گاز واکنش‌دهنده با فشار کم قرار می‌گیرد و تخلیه الکتریکی DC یا AC ایجاد می‌شود. اگر هدف لایه‌نشانی فیلم فلزی باشد، می‌توان هم از تخلیه الکتریکی DC و هم AC استفاده کرد. اگر هدف لایه‌نشانی یک ماده دیالکتریک باشد، بایستی از تخلیه الکتریکی AC استفاده کرد، زیرا الکترودهای فلزی پوشیده می‌شود و تخلیه الکتریکی DC قطع می‌شود.
راه دوم لایه‌نشانی، با استفاده از یک سیم پیچ در اطراف لوله حاوی گاز واکنش‌دهنده انجام می‌شود. هنگامی‌که جریان AC از طریق سیم پیچ اعمال می‌شود، یک میدان الکتریکی متناوب در داخل لوله القا شده و باعث شکسته شدن گاز درون لوله می‌شود (حالت ب).
در حالت سوم (ج)، اگر یک جفت الکترود هادی در خارج از لوله قرار داده شود، همان‌طور که در شکل 2-ج نشان داده شده است، و یک پتانسیل AC به آن‌ها اعمال شود، میدان الکتریکی درون لوله حاوی گاز به وجود می‌آید و مجدداً تخلیه رخ می‌دهد. به این مورد، سامانه الکترودی پوسته صدفی (Clam Shell) نیز گفته می‌شود. راکتورهای لولهای معمولاً برای ممانعت از خاکستر شدن یا رسوب‌دهی کم‌مقدار، استفاده می‌شود. ساخت این راکتورها ساده است و نسبتاً ارزان قیمت هستند.
راکتورهای صفحه موازی با دیواره سرد
راکتور اصلی رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار با کمک پلاسما توسط راینبرگ (Reinberg) توسعه داده شد و در شکل 3 نمایش داده شده است. این راکتور یک راکتور صفحه موازی با تقارن دایرهای است، که در آن بستر بر روی یک صفحه فلزی داغ قرار دارد. در این رآکتور، ورود گازها از کنار و تخلیه گازهای واکنش نداده و مخلوط واکنش از مرکز صورت می‌پذیرد. همچنین می‌توان رآکتورهایی طراحی کرد که گاز از وسط تزریق شود و تخلیه از کنار باشد.
در یک راکتور دیوار سرد، بستری که روی آن لایه‌نشانی می‌شود، به طور مستقیم حرارت می‌بیند (در اینجا با ایجاد پلاسما)؛ در حالی که سایر قسمت‌های راکتور سرد می‌مانند یا به نسبت سردتر از قسمت لایه‌نشانی هستند. اغلب واکنش‌های CVD گرماگیر هستند، یعنی گرما را جذب می‌کنند و لایه‌نشانی ترجیحاً بر روی سطوحی که درجه حرارت بالاتری دارند، در این راکتورها سطح بستر، صورت می‌پذیرد. در پی این امر، بر روی دیوارهای راکتور که سردتر از سطح بستر هستند، لایه‌نشانی صورت نمی‌گیرد (uncoated). راکتورهای دیوار سرد، به این دلیل که دیواره‌های آن سرد است، نرخ رشد بالایی دارند.
راکتورهای صفحه موازی با دیوار گرم
به طور کلی، راکتور دیوار گرم در اصل یک کوره همدما است، که اغلب توسط المان‌های مقاومتی (resistance elements) گرم می‌شود. در لایه‌نشانی با کمک پلاسما، سعی می‌شود الکترودهایی که بستر را دربر دارند، گرم شود و سایر قسمت‌ها سرد بمانند یا حداقل گرم نشوند، که خود نوعی راکتور دیوار سرد محسوب می‌شود؛ دلیل این کار ممانعت و کاستن لایه‌نشانی بر روی سایر قسمت‌های راکتور است.
اگر تمام راکتور در کوره قرار داده شود، مفهوم یکسان برای راکتور در یک سیستم دیوار داغ معتبر است. در این حالت، دما طبق تعریف، یکنواختی بسیار خوبی دارد. مسلماً این مورد از لحاظ اقتصادی مناسب نیست و جذابیت کمتری دارد. با این حال، اگر هندسه دو الکترود به صورت موازی، مستطیل شکل و باریک باشد، ساختار می‌تواند به راحتی درون یک لوله داغ قرار بگیرد و مناسب باشد.
الکترودهای مستطیل شکل متعدد، به صورتی چیده می‌شوند که در طول (درازا) لوله قرار بگیرند و با یک منبع با قدرت 400 کیلو هرتز به صورت متناوب تغذیه می‌شوند. الکترودها از جنس گرافیت ساخته می‌شوند. از مزیت‌های سیستم‌های دیوار گرم، بستر‌های زیادی است که در یک لودینگ (به عنوان مثال 4 بستر 4 اینچی در یک بار لود کردن) استفاده می‌شود. از عیوب این کار می‌توان به صرف زمان و انرژی زیاد برای سرد کردن و گرم کردن مجدد بستر بعد از هر لودینگ اشاره کرد.
4- کاربردهای رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسما
این روش اغلب در صنعت نیمهرساناها برای لایه‌نشانی یکنواخت بر روی بستر فلزی یا ساختارهای حساس به دما استفاده می‌شود. این روش در مقایسه با سایر روش‌ها، دارای سرعت لایه‌نشانی بالاتر، ضمن حفظ کیفیت رسوب‌دهی است.
در این روش، واکنش رسوب‌دهی در دماهایی صورت می‌پذیرد که در روش‌هایی مانند CVD گرمایی انجام نمی‌گیرد (نیاز به دماهای پایینتری دارد) و این مورد از امتیازهای مهم CVD به کمک پلاسما نسبت به سایر روش‌ها محسوب می‌شود. از دیگر فواید آن، این است که به خاطر پایین ماندن دمای لایه‌نشانی، اثرات عدم تطابق ناشی از انبساط حرارتی بین زیرلایه و پوشش رخ نداده و لذا تنشهای حاصله کاهش می‌یابد.
از عمده کاربردهای دستگاه رسوب‌دهی شیمیایی از فاز بخار با کمک پلاسما می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- بهبود خواص مقاومت به خوردگی قطعه؛
- کاهش درجه حرارت فرآیند نسبت به روش‌های مرسوم؛
- پر کردن خوب منافذ و شکافها؛
- چسبندگی بسیار خوب لایه نازک به زیرلایه؛
- سرعت رسوب‌گذاری بالا نسبت به سایر روش‌ها؛
- دانسیته بالای لایه به دلیل کم بودن میزان خلل و فرج؛
- تنشهای کمتر لایه به دلیل درجه حرارت پایینتر؛
- پوششدهی قالب‌های پلاستیکی، آلومینیوم و قطعات حساس صنایع خودروسازی و هواپیما؛
- امکان رشد نانولوله‌های کربنی بر روی انواع سنسورها و قطعات الکترونیکی و اپتیکی.
همچنین از مهمترین عیوب این روش می‌توان به محصولات جانبی سمی آن اشاره کرد. چنین محصولاتی ممکن است در حین تشکیل پلاسما با تجزیه گازها به‌وجود آیند. در این روش، به دلیل آن‌که بر اثر دمای پایین، جذب برخی گونه‌ها از سطح بستر به خوبی صورت نمی‌پذیرد، دستیابی به رسوب خالص مشکل می‌شود.
5- نتیجهگیری
در PECVD، واکنش توسط پلاسما فعال می‌شود و دمای لایه‌نشانی به صورت قابل ملاحظهای پایین است. PECVD فرآیند فیزیکی و شیمیایی را در هم می‌آمیزد و می‌تواند پلی برای رفع نواقص و فضای بین دو فرآیند CVD و PVD باشد. در این رابطه، آن را شبیه به فرآیندهای PVD می‌دانند که در آن واکنش‌های شیمیایی اتفاق می‌افتند.
در این روش، واکنش رسوب‌دهی در دماهای پایینتری نسبت به رسوب‌دهی گرمایی انجام می‌پذیرد و سرعت و نرخ رشد بالایی دارد؛ عامل کنترلکننده سرعت، سنیتیک سطح خواهد بود که در نتیجه موجب یکنواختی بیشتر رسوب به دست آمده خواهد شد. رسوب‌دهی در دمای پایین باعث تشکیل لایه‌های بلوری دانه ریز می‌شود که اغلب خواص فوقالعادهای دارند.
منابـــع و مراجــــع
