تکنیک های مختلفی برای لایه نشانی بر روی سطوح مختلف وجود دارد که از جمله آن ها می توان به CVD، PVD، ALD و… اشاره کرد. CVD یکی از روش های بسیار قوی است که برای نشاندن لایه های مختلف بر روی سطوح از آن استفاده می شود. این تکنیک نسبت به تکنیک های دیگر مزیت ها و البته معایبی دارد که در این مقاله به آن ها می پردازیم.
CVD (Chemical Vapour Deposition) چیست؟
اگر بخواهیم Chemical Vapour Deposition را به فارسی ترجمه کنیم؛ لایه نشانی با استفاده از بخار شیمیایی، بهترین ترجمه آن خواهد بود. در این روش از بخارات شیمیایی برای ایجاد یک لایه با ضخامت مشخص بر روی سطح استفاده می شود. این روش نسبت به لایه نشانی های دیگر مزیت ها و البته محدودیت هایی دارد. در شکل زیر یک شمای کلی از مراحل مختلف CVD را مشاهده می کنید.
در این روش دو یا چند ماده شیمیایی در محیط دستگاه یا روی سطح مورد نظر واکنش داده و یک لایه بر روی آن ایجاد می کند. ضخامت این لایه را می توان به روش های مختلفی کنترل کرد. همچنین خواص دیگر این لایه نازک مثل سختی، رسانایی الکتریکی و گرمایی و… را می توان با انتخاب مواد شیمیایی مختلف کنترل کرد.
لایه نشانی به روش CVD چگونه انجام می شود؟
برای انجام این تکنیک به محیطی با خلاء قوی نیاز است. هر گونه هوا و یا بخارات موجود در هوای اطراف ما می تواند لایه نشانی را مختل کرده و در آن نقص ایجاد کند. هر چه محیط کاری از آلودگی ها خالی تر باشد؛ لایه نشانی بهتر و کامل تر انجام می شود. بنابراین اولین چیزی که نیاز داریم یک محیط با خلاء قوی است.
هوای مخزنی که در آن لایه نشانی انجام می شود؛ باید تا حد 0.00001 اتمسفر یا بیش از آن خالی شده باشد. در این خلاء تقریبا آلایندگی خاصی وجود ندارد که مانع لایه نشانی شده و یا در آن اختلال ایجاد کند. پس از ایجاد خلاء، مواد اولیه مورد نظر به صورت گاز و یا بخار در آمده و به درون مخزن وارد می شود. مدت زمانی به محیط مخزن زمان داده می شود تا واکنش بر روی سطح انجام شود. سپس مجدد با یک پمپ، هوای درون مخزن تخلیه می شود.
بعد از این فرآیند، ممکن است چند بار دیگر نیز لایه های دیگر بر روی سطح قرار داده شده و یا لایه نشانده شده به ترتیب ضخیم و ضخیم تر شود. در پایان نیز با برخی سنباده های خاص سطح را پولیش می کنند تا اگر قسمتی از سطح بیش از حد لایه نشانی شده حذف شود. این صرفا یک توضیح کلی بود. بنابراین بیایید به تک تک این مراحل نگاهی بیندازیم و دقیق شویم.
محیطی عاری از هر گونه آلایندگی
همانطور که اشاره شد؛ اولین و مهمترین لازمه ی هر لایه نشانی به روش CVD یک محیط تمیز و عاری از هر گونه آلودگی است. این آلودگی ها می تواند بر روی سطح و یا در هوای داخل مخزن وجود داشته باشد. بنابراین پیش از آن که سطح را وارد مخزن لایه نشانی بکنند؛ آن را در فرآیند های مختلف و توسط مواد مختلفی شستشو می دهند تا آلودگی هایش حذف شود.
مثلا ممکن است سطح ما آلوده به برخی مواد آلی، نمک های معدنی و… باشد. بنابراین می توان در فرآیند های اسید شویی، باز شویی، حرارت دهی و… آن ها را حذف کرد. یا حتی می توان سطح را توسط برخی سنباده های خاص پولیش کرده و یا در صورت امکان، با انجام برخی برش های خاص، یک سطح تمیز به وجود آورد.
علاوه بر سطح مورد نظر، همچنین باید هوای درون مخزن نیز تمیز و عاری از آلودگی باشد. بنابراین بهترین راه، خارج کردن هوای درون مخزن است تا علاوه بر حذف آلودگی ها، همچنین مزاحمت های شیمیایی و فیزیکی این هوا را نیز از بین برد. همانطور که می دانید؛ برای تماس کامل بخارات شیمیایی با سطح مورد نظر، ابتدا باید سطح با هیچ بخار یا هوایی در تماس نباشد. بنابراین خالی کردن هوای درون مخزن یک کار بسیار موثر خواهد بود.
مواد اولیه ای با امکان بخار شدن
برای آن که بتوانیم از تکنیک CVD برای لایه نشانی استفاده کنیم؛ لازم است تا از مواد اولیه ای استفاده کنیم که بتوانند به خالت گازی در آمده و یا طی شرایط خاصی بتوانند بخار شوند و یک فشار بخار مناسب ایجاد کنند. برای این منظور، پژوهش های متعددی انجام شده و تحقیقات گسترده ای در سطح دانشگاه ها انجام می شود تا بتوان از مواد مختلف، مشتقاتی ساخت که قابلیت بخار شدن را داشته باشند.
مثلا ما نیاز داریم تا یک ترکیب از فلز منگنز یا نیکل یا… داشته باشیم تا با استفاده از آن، یک سطح نیکل ایجاد کنیم. بنابراین باید به مشتقی از نیکل برسیم که بتوان آن را بخار کرده و در شرایطی خاص، آن را به نیکل فلزی که بتواند یک لایه بر روی سطح مورد نظرمان ایجاد کند بسازیم.
ایجاد شرایطی برای ترسیب بخارات
پس از آن که مواد اولیه را به صورت بخار و یا گاز در آورده و وارد مخزن لایه نشانی کردیم. حال باید شرایطی را ایجاد کنیم تا این بخارات به صورت یک لایه نازک روی سطح مورد نظر رسوب کرده و ایجاد یک لایه جدید بکنند. این شرایط می تواند با سرد کردن، گرم کردن، افزایش فشار گاز های تزریق شده و… انجام شود. مثلا اگر بخواهیم یک لایه آمونیوم کلرید بر روی یک سطح بنشانیم. گاز های هیدروکلریک اسید و آمونیاک را وارد مخزن کرده و دما را کاهش می دهیم تا واکنش بین آن ها انجام شده و یک لایه به صورت پودری از جنس آمونیوم کلرید بر روی سطح قرار گیرد.
یا مثلا فرض کنید که من بخواهم لایه آمونیوم کلرید را حذف کرده و لایه ای از جنس اکسید آلومینیوم روی سطح ایجاد کنم. بنابراین سطح را تا 340 درجه سانتی گراد گرم می کنم تا آمونیوم کلرید به صورت آمونیاک و هیدروکلریک اسید تجزیه شده و از سطح بلند شود. سپس گاز حاوی آلومینیوم را وارد می کنم تا روی سطح بنشیند.
برای ایجاد رسوب از هر ماده ای شرایط خاصی وجود دارد. بسته به این که چه ماده و چه سطحی داشته باشیم؛ شرایط ایجاد رسوب فرق می کند. باید عوامل مختلفی در نظر گرفته شود و متناسب با آن ها، شرایط بهینه ایجاد شود.
تمیز کاری سطح و خارج کردن محصول
بعد از آن که عملیات لایه نشانی انجام شد. علاوه بر سطح مورد نظر، همچنین بخارات بر روی جداره داخلی مخزن نیز رسوب کرده اند و باید آن ها را حذف کرد. در غیر این صورت، در گذر زمان و با لایه نشانی های مختلف بر روی سطوح مختلف، فضای داخلی مخزن پر از آلودگی های مختلف می شود و خود این آلودگی ها می تواند لایه نشانی های بعدی را تحت تاثیر قرار دهد.
بنابراین پس از هر بار لایه نشانی، می بایست فضای داخلی مخزن تمیز شود. برای این منظور از تکنیک های مختلفی استفاده می شود. یکی از موثر ترین این تکنیک ها، استفاده از هیدروفلوئوریک اسید است. این ماده به صورت بخار به فضای مخزن تزریق می شود و به سرعت با بسیاری از مواد واکنش می دهد. فرآورده حاص از این واکنش را می توان به راحتی از فضای مخزن خارج کرده و مخزن را برای لایه نشانی های دیگر آماده کرد.
پس از آن که لایه مورد نظر بر روی سطح نشست؛ آن را از مخزن خارج می کنند. مخزن را با فرآیند های مختلف تمیز کرده و سطح لایه نشانی شده را تمیز می کنند. باید بدانید که لازم است تا سطح ساخته شده تمیز شود. بنابراین از سمباده های بسیار خاصی برای پولیش کردن سطح استفاده می شود تا ناهمواری های آن را حذف کرده و یک سطح یک دست را ایجاد کند. البته این مرحله الزامی نیست و گاهی از آن صرف نظر می شود.
