روش رسوب دهی از فاز بخار CVD

Chemical vapor deposition (CVD)

روش رسوب دهی از فاز بخار

مقدمه:

رسوب دهی شیمیایی بخار (CVD)، یک فرایند چند منظوره مناسب برای ساخت پوشش، پودر، الیاف، و اجزاء یکپارچه است. با CVD، این امکان وجود دارد که برای تولید بسیاری از فلزات، بسیاری از عناصر غیر فلزی مانند کربن و سیلیکون و نیز  یک تعداد زیادی از ترکیبات  از جمله کاربیدها، نیتریدها، اکسیدها  و بسیاری دیگر به کار برد. این فن آوری در حال حاضر یک عامل اساسی در ساخت نیمه هادی ها و دیگر اجزای الکترونیکی، در پوشش دهی ابزار، بلبرینگ، و دیگر قطعات مقاوم به سایش و در بسیاری از وسایل اپتیکی و برنامه های کاربردی خوردگی است. رسوب شیمیایی بخار را ممکن است به عنوان رسوب از فاز بخار در یک سطح گرم از یک واکنش شیمیایی تعریف کرد.  که این فرایند متعلق به کلاس فرآیندهای انتقال بخار است که مربوط به اتم در طبیعت می باشد ، که گونه رسوب اتم یا مولکول یا یک ترکیبی از آن هار مشخص می کند.

مزایا و معایب:

  • این روش نسبت به روشهای اسپاترینگ و PVD قدرت پرتاب بالاتری دارد.
  • این روش نرخ رسوب گذاری بالاتر و ضخامت بهتری برای رسوب دارد.به همین دلیل با صرف انرژی کمتر مقرون به صرفه تر است.
  • تجهیزات CVD به محیط ما فوق خلا نیاز ندارد.
  • از معایب آن می توان به ناپایدار بودن برخی مواد در دماهای بالاتر از ۶۰۰ درجه سانتی گراد اشاره کرد که این مشکل نیز با توسعه پلاسما CVD بهبود یافت.

 

تاریخچه CVD:

CVD یک روش جدید نیست. در سال ۱۸۸۰،  Powell, Oxley, Blocher برای استحکام بخشی فیلمان لامپهای رشته ای با پوشش دهی آنها با فلزات یا کربن و Mond برای تولید نیکل خالص با فرآیند کربونیل کردن این روش را پایه گذاری کردند. تا سال ۱۹۶۰ به دلیل وقوع جنگ جهانی دوم سرعت پیشرفت CVD کاهش یافت ولی در این سال با معرفی پوشش دهی ابزارهای کاربایدی با TiC این روش جان تازه ای گرفت. در سال ۱۹۶۳ روش PECVD ابداع و پیشرفت کرد. در سال ۱۹۶۸ این روش وارد صنعت شده و پوشش دهی با TiC با این روش اولین اقدام صنعتی این روش انجام گرفت. در سال ۱۹۸۰ پوشش دهی الماسی با این روش و در سال ۱۹۹۰ روش MOCVD و کاربرد CVD در اوپتیک توسعه یافت. امروزه پیشرفتهای زیادی در این روش رخ داده است.

 

روش کار کلی CVD:

روش رسوب دهی شیمیایی ( CVD ) فرآیندی است که در آن مواد شیمیایی در فاز گازی بر روی زیر پایه ای گرم شده، واکنش داده و به رسوبات جامد تبدیل می شوند. در واقع، تکنولوژی CVD چندین قانون علمی و مهندسی شامل ترمودینامیک، فیزیک پلاسما، سینتیک، دینامیک سیالات و البته شیمی را با هم درمی آمیزد. تعداد واکنشهای شیمیایی مورد استفاده در CVD بسیار زیاد است و شامل پیرولیز (تجزیه حرارتی) ، کاهش ، هیدرولیز ، اکسیداسیون ، کربوره شدن و … می شود، که می توانند به صورت منفرد و یا مخلوطی از آنها مورد استفاده قرار گیرند. این واکنشها می توانند به طرق مختلف فعال شوند که مهم- ترین آنها عبارتند از:

  • فعالسازی حرارتی که اغلب در دماهای بالا ( >900oC ) انجام می شود.
  • فعالسازی پلاسما که معمولاً در دماهای خیلی پایین تر انجام می شود.
  • فعالسازی فوتونی که معمولاً با پرتوهای فرابنفش کم طول موج انجام می شود.

cvd_1

روشهای فعالسازی واکنشهای CVD :

همانطور که در قسمتهای قبلی گفته شد، CVD می تواند با توجه به عامل تامین کننده انرژی لازم برای فعالسازی واکنشها طبقه بندی شود که این عوامل عبارتند از: حرارت، فوتون و پلاسما. در این بخش به شرح این روشها خواهیم پرداخت.

CVD حرارتی:

CVD حرارتی نیازمند دماهای بالاست ( ۸۰۰ – ۲۰۰۰ oC ) که این حرارت می تواند به روشهای مختلفی از جمله: گرمایش مقاومتی، فرکانس بالا، گرمایش تشعشعی، با صفحات گرم و … . این روش به دو سیستم اصلی تقسیم می شود: سیستم با راکتور جداره سرد و جداره گرم.

راکتور جداره گرم:

این نوع راکتور در اصل یک کوره همدماست که اغلب با استفاده از المنت های مقاومتی گرم می شود. قطعاتی که باید پوشش دهی شوند در داخل راکتور گذاشته می شوند سپس دما تا حد مطلوب بالا برده می شود و گازهای واکنش دهنده وارد راکتور می شوند. شکل زیر نشان دهنده کوره ای است که برای پوشش دهی ابزارهای برش با TiC ، TiN و Ti(CN) استفاده می شود. این مواد می توانند تحت شرایط کاملاً کنترل شده متناوباً رسوب داده شوند. معمولاً راکتورها به اندازه کافی بزرگ هستند که بتوان صدها پوشش دهی را در هر بار انجام داد.

مزیت راکتورهای جداره گرم در کنترل دقیق دما است، ولی عیبی که این راکتورها دارند این است که رسوب دهی در هر جایی از کوره انجام می شود و به اندازه ای که رسوب روی قطعات ما می نشیند به همان اندازه نیز روی دیواره راکتور قرار می گیرد، که این امر نیازمند تمیزکاری متناوب یا استفاده از آستری های یکبار مصرف است.

 

 

راکتور جداره سرد:

در این نوع راکتورها، زیرپایه ای که پوشش دهی می شود مستقیماً از روش القا یا گرمایش تشعشعی گرم می شود در حالیکه سایر قسمتهای راکتور، سرد یا حداقل سردتر از زیرپایه نگه داشته می شود. اکثر واکنشهای CVD گرماگیر هستند در نتیجه گرما را جذب کرده و رسوب دهی بر روی سطوحی که دمای بیشتری دارند (در این مورد زیرپایه) انجام می شود و دیواره ها که سردتر هستند بدون پوشش باقی می مانند. در شکل زیر یک راکتور جداره سرد آزمایشگاهی ساده که برای پوشش دهی سطح گرافیتی با تنگستن مورد استفاده قرار می گیرد.

 

راکتورهای فشار اتمسفری و فشار کم:

فشار روی ماهیت رسوب تأثیر بسزایی دارد. در فشار زیاد (اتمسفر)، رسوب دهی توسط نفوذ محدود می شود ولی در فشار کم، واکنشهای سطحی عامل تعیین کننده هستند. در عمل این بدان معناست که فشار کم معمولاً رسوبهای همسان تر و با کیفیت تری را تولید می کند. اگر چه راکتورهای فشار اتمسفری ساده تر و ارزانتر هستند ولی برخی واکنش دهنده ها در راکتورهای فشار اتمسفری باید با گازهای نجیب به مقدار زیاد رقیق شوند تا از رسوب فاز گازی جلوگیری شود، در حالیکه معمولاً در فشارهای کم نیازی به رقیق سازی نیست.

راکتورهای فوق خلاء:

واکنشهای CVD در فشارهای خیلی پایین ( ۱۰ torr ) برای رسوب دهی مواد نیمه هادی، از جمله سیلیکون – ژرمانیوم و برخی مواد اوپتوالکترونی توسعه یافتند. مزیت فشارهای خیلی کم، کنترل بهتر ساختار رسوب و کاهش ناخالصی هاست.

CVD لیزری:

لیزر یک پرتو همفاز تک طول موج از فوتونهای پر انرژی را تولید می کند که به طور موثری می تواند واکنشهای CVD را فعال سازد. CVD لیزری در اثر نتیجه یک انرژی حرارتی که در اثر برخورد و گرم کردن زیر پایه جذب کننده به وجود می آید. طول موج لیزر خیلی کوتاه است و یا هیچ انرژی توسط مولکولهای گاز جذب نمی شود. CVD لیزری در اصل دارای مکانیزم و شیمی یکسانی با CVD حرارتی معمول است و به طور تئوریک محدوده یکسانی از مواد می توانند رسوب داده شوند. چند نمونه از موادی که توسط CVD لیزری رسوب داده شده اند .

CVD پلاسما:

همانطور که اشاره شد، CVD حرارتی، برای فعالسازی واکنش متکی به انرژی حرارتی است و دماهای رسوب دهی عموماً بالاست. در روش CVD پلاسما، که با نامplasma-enhanced CVD  (PECVD) یا plasma assisted CVD (PACVD) نیز شناخته می شود، واکنش توسط یک پلاسما فعال می شود و دمای رسوب دهی خیلی پایین است. CVD پلاسما فرآیند فیزیکی و شیمیایی را یک جا جمع می کند و شاید بتوان از آن به عنوان پلی میان CVD و PVD یاد کرد. از این لحاظ، شبیه آن است که فرآیند PVD در محیط شیمیایی انجام می شود.

CVD پلاسما ابتدا در دهه ۱۹۶۰ برای کاربردهای نیمه هادیها خصوصاً رسوب دهی سیلیکون نیترید توسعه یافت. تعداد و تنوع کاربردهای این روش تا الان به سرعت رشد کرده و هم اکنون به یک فرآیند قابل رقابت با CVD حرارتی تبدیل شده است.

 

اصول رسوب دهی پلاسما:

اگر یک گاز دو اتمی مثلاً هیدروژن، تا دمای معینی حرارت داده شود، همه مولکولهای آن با اتمهای هیدروژن تبدیل می شوند (H2     ۲H) و اغلب مواقع اگر تمام این اتمها یونیزه نشوند، پلاسمایی تشکیل شده از یونها (با بار مثبت)، الکترونها (با بار منفی) و اتمهای خنثی. به هر حال وقتی که دماهای یونیزاسیون معمولاً خیلی بالاست (۵۰۰۰K)، انرژی حرارتی فوق العاده زیادی برای ایجاد این دما نیاز است. برای مثال، اگر چه یک شعله مشتعل شاید بتواند دما را حداکثر تا ۳۷۰۰K بالا ببرد، ولی باز هم این دما نیز برای یونیزاسیون کامل گازی مثل هیدروژن کافی نیست و در واقع یونیزاسیون فقط در حد ۱۰% کامل می شود. روش دیگر و ساده تر برای ایجاد پلاسما استفاده از انرژی الکتریکی، مانند دشارژ فرکانس پایین است. با افزایش انرژی الکتریکی در یک مقدار ثابتی از گاز، تمام مولکولها بالاخره تفکیک و به طور کامل یونیزه می شوند.

 

مزایای روش پلاسما:

با روش CVD پلاسما رسوب در دماهایی به دست می آید که در CVD حرارتی هیچ واکنشی در آن دماها رخ نمی دهد. این بزرگترین مزیت آن، وقتی که اجازه پوشش دهی زیر پایه های دما پایین مانند آلومینیوم (که ممکن است ذوب شود)، پلیمرهای آلی (که احتمال تجزیه و گاززایی دارند) و یا فلزات یا آلیاژپای فلزی که در دماهای بالا تغییر ساختار می دهند مانند فولاد اوستنیتی را می دهد، است. همچنین ناخالصی های نیمه هادیها مانند بور و فسفر، می توانند در دماهای بالاتر از ۸۰۰oC به راحتی بین لایه های زیرین ماده اصلی نفوذ کنند که این دما تغییرات زیان باری را در خواص نیمه هادیها ایجاد می کند. با پلاسما CVD این مواد می توانند با مقدار کم یا نبود نفوذ هم پوشش دهی شوند.

مزیت دیگر این است که بسیاری از اثرات ناهماهنگی زیر پایه و پوشش و در نتیجه تنشها، زمانی که دمای رسوب دهی پایین باشد، کاهش می یابند. به علاوه، سرعت های رسوب دهی معمولاً بالا می رود و وقتی که فشار پایین باشد (در مورد CVD پلاسمای دشارژ تابشی)، عامل کنترل کننده سرعت، سینتیک سطح است (که باعث همسانی بیشتر می شود). دمای پایین رسوب دهی، همچنین فرم دهی رسوبهای آمورف یا چند بلورهای با اندازه دانه های خوب که اغلب دارای خواص بهتری هستند، را آسان تر می کند.

محدودیت های روش CVD پلاسما:

با این روش به دست آوردن رسوب خالصی از مواد بسیار سخت است. در اکثر موارد، خارج کردن محصولات ناخواسته و گازهای دیگر به دلیل پایین بودن دما به طور کامل انجام نمی شود. این گازها، به ویژه هیدروژن در رسوب باقی می ماند. علاوه بر این، در موارد مرکب مانند نیتریدها ، اکسیدها ، کاربیدها یا سیلیسیدها استوکیومتری ندرتاً به دست می آید که به طور کلی، این به دلیل عوض کردن خواص فیزیکی ، کاهش دادن مقاومت در برابر اچ شیمیایی و بمباران های رادیواکتیو زیانبار است. هرچند در برخی موارد مفید است مثلاً در سیلیکون آمورف مورد استفاده در سلولهای خورشیدی در صورت وجود هیدروژن باعث بهبود خواص اوپتوالکترونی می شود.

CVD پلاسما تمایل دارد که به ویژه در فرکانس های پایین تر در رسوب تنشهای فشاری ناخواسته به وجود آورد. این شاید در فیلمهای خیلی نازک مورد استفاده در کاربردهای نیمه هادی مشکلی ایجاد نکند، اما در فیلمهای ضخیم تر معمول در کاربردهای متالورژیکی، این فرآیند موجب لایه لایه شدن و شکست می شود.

منبع:

HANDBOOK OF CHEMICAL VAPOR DEPOSITION(CVD) Principles, Technology, and Applications Second Edition by Hugh O. Pierson

درباره نویسنده

مطالب مرتبط

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *