۲- لایه دارای تخلخل باشد.
۳- لایه به صورت ذرات جدا از هم تشکیل شود. خواص الکتریکی لایه های نازک شدیداً به ساختار آن بستگی دارد. در این میان بهترین رسانایی مربوط به لایه های نازک منسجم و کمترین میزان رسانایی در لایه های با ذرات جدا از هم می باشد. در لایه های فلزی منسجم نیز، رسانایی بسیار بیشتر از لایه های فلزی غیر منسجم می باشد. اما بر خلاف لایه های فلزی منسجم، با افزایش دما رسانایی لایه های فلزی غیر منسجم افزایش می یابد[۷] .
۱-۳-۴ خواص مغناطیسی :
در لایه های نازک آثار پارا مغناطیسی و دیا مغناطیسی به قدری ضعیف است که به سختی آشکار می شود. خواص فرو مغناطیسی به دمای زیر لایه، آهنگ لایه نشانی و اجزای سازنده بستگی دارد.
خاصیت مغناطیسی لایه های نازک به شدت به مرفولوژی و میکروساختار و تا حدودی به شکل هندسی لایه بستگی دارد[۸] .
۱-۳-۵ خواص نوری
معمولاً برای لایه نشانی با اهداف نوری، از روش های فیزیکی استفاده می شود و در مباحث خواص نوری در لایه های نازک، بیشترین کاربرد مربوط به سیستم های چندلایه است که با ترکیب چندلایه با ضخامت ها و ضریب شکست های متفاوت می توان در کاربرد های وسیعی نظیر آینه ها و لایه های ضد انعکاس می توان کاربرد های متفاوتی را ایجاد نمود[۹] .
۱-۳-۶ خواص شیمیایی :
در لایه های نازک به علت سطح تماس زیاد لایه با محیط، واکنش پذیری لایه نسبت به ماده افزایش می یابد، لذا از این خاصیت لایه های نازک می توان به عنوان سنسور شناسایی مواد شیمیایی استفاده نمود[۱۰] .
۱-۳-۷ خواص حرارتی :
لایه های نازک از آنجا که نسبت سطح به حجم بالایی دارند لذا تعداد اتم های سطحی آنها بیشتر است و چون اتم های سطحی ماده آزادی عمل بیشتری نسبت به اتم درون شبکه دارند، به همین دلیل دمای ذوب لایه نازک کمتر از دمای ذوب همان ماده در حالت بالک ماده می باشد.
از بررسی خواص لایه های نازک نتیجه می گیریم که در بررسی خواص لایه های نازک مشخص است که خواص لایه نسبت به توده ماده رفتار متفاوتی از خود نشان می دهد. خواص الکتریکی وابسته به نوع عیوب ایجاد شده خواهد بود. در بحث خواص الکتریکی لایه های نازک گفته شد که رسانایی الکتریکی لایه با کاهش ضخامت آن، کاهش می یابد و در مقابل میزان مقاومت الکتریکی در لایه های نازکتر، مقادیر بزرگتری خواهد داشت. با کاهش ضخامت لایه های نازک میزان مغناطیس شدن آنها نیز کم می شود و در مورد خواص نوری، با کاهش ضخامت لایه، جذب نور در آن افزایش خواهد داشت. همچنین به علت افزایش میزان سطح به حجم در لایه های نازک، تغییر دما و واکنش شیمیایی نسبت به توده ماده با سرعت بیشتری انجام خواهد گرفت[۱۱] .
۱-۴ روش های تهیه لایه های نازک
روش هایی را که برای ساخت لایه های نازک مورد استفاده قرار می گیرد، می توان به شش گروه اصلی دسته بندی کرد :
۱- روش های رسوب فیزیکی بخار PVD
۲- روش های رسوب شیمیایی بخار CVD
۳- روش های رسوب به کمک باریکه یونی
۴- روش های اپی تکسی باریکه مولکولی MBE
۵- روش های رسوب با پالس لیزر PLD
۶- روش های حمام شیمیایی CBD
۱-۵ رسوب فیزیکی بخار PVD :
فرایند رسوب فیزیکی بخار(PVD) در ابتدا فقط برای رسوب دادن بخار فلزات توسط انتقال در خلاء و بدون انجام واکنش شیمیایی مورد استفاده قرار می گرفته است.
سیستم و فرایند PVD از کارایی بسیار بالایی برخوردار بوده و دامنه وسیعی از متغیر ها را در بر می گیرد که برخی از آنها شامل واکنش های شیمیایی نیز می باشد. از این فرایند برای تولید رسوب هایی از فلزات خاص، آلیاژ ها، ترکیبات و سرامیک ها برروی تقریباً انواع مختلف زیر لایه ها با شکل های مختلف استفاده می شود. سرعت تشکیل پوشش در این روش تا ۵۰ میکرون در دقیقه می رسد، دامنه کاربرد این روش در تمام زمینه های صنعتی و تکنولوژی برای ایجاد خواص سطحی مانند خواص الکتریکی نوری، مکانیکی، شیمیایی و غیره است. مهم ترین روش های فیزیکی در ساخت لایه های نازک عبارتند از [۱۲] :
۱)روش تبخیر حرارتی
۲)روش کند و پاش (اسپاترینگ)۱
۱-۶ روش تبخیر حرارتی :
در روش تبخیر حرارتی از یک منبع بخار و یک زیر لایه در یک محفظه خلاء استفاده می شود. محفظه تا فشاری معمولاً کمتر از ۵ تا ۱۰ تور تخلیه می شود. منبع بخار معمولاً یک بوته گرم شده است. بدین ترتیب ماده پوشش به صورت بخار در آمده و اتم های بخار در خط مستقیم به سمت زیر لایه حرکت کرده برروی آن کندانس شده و رسوب می کند. تبخیر حرارتی مواد به صورت های مختلفی انجام می شود از جمله :
۱-۶-۱ تبخیر حرارتی مقاومتی
ساده ترین روش برای تبخیر مواد استفاده از روش تبخیر حرارتی مقاومتی است. در این روش از یک بوته تبخیر از جنس فلزات مقاوم مانند تنگستن(w)، تانتالوم (Ta) و. . . که دارای نقطه ذوب بالایی هستند، برای تبخیر مواد استفاده می شود[۱۳] .
۱-۶-۲ روش تبخیر حرارتی پرتو الکترونی :
چشمه تبخیری جدیدتر و کارامد تر، تبخیر با پرتو الکترونی است. از این روش برای تبخیر موادی از قبیل اکسید ها، فلزات مقاوم، نیمه رسانا ها و عایق ها استفاده شده است. ماده مورد نظر در داخل یک بوته مناسب که به وسیله جریان آب خنک می شود قرار داده
-
- sputtring
می شود، سپس تفنگ الکترونی، پرتوی از الکترون را ساتع می کند که با اعمال ولتاژ زیاد، دارای انرژی جنبشی زیادی می شوند و با هدایت و کانونی شدن روی سطح ماده می تواند ماده را گرم و در نهایت تبخیر برروی بستره جایگذاری کند، در واقع سمت مرکزی ماده هدف با پرتو الکترون گرم و تبخیر می شود، دیواره های ماده که با بوته در تماس هستند با جریان آب سرد خنک می شود و جریان آب سرد باعث می شود تا واکنش های ناخواسته بین مواد مذاب و دیواره ها رخ ندهد، دسترسی به انرژی های زیاد به کمک ولتاژ زیاد، نیز امکان تبخیر مواد برگدازی مانندSio2، Tio2، ITO و. . . را فراهم می سازد[۱۴-۱۳] .
۱-۶-۳ روش تبخیر حرارتی لیزری
در روش رسوب با لیزر، یک پرتو تابش لیزری بر ماده هدف می تابد و باعث گرم شدن ماده و تبخیر آن می شود. فرایند رسوب با لیزر می تواند به سه مرحله تقسیم گردد :
۱) برهم کنش هدف با لیزر
۲) توزیع حبابی شکل ذرات تبخیر شده
۳) رسوب لایه
در این روش منبع ایجاد پرتو لیزری در خارج دستگاه خلاء قرار دارد و با توجه به عمق نفوذ کم لیزر، تبخیر ماده ابتدا از سطح ماده شروع می شود.
۱-۶-۴ روش آنی تبخیر
در روش آنی تبخیر با بهره گرفتن از یک سیستم تغذیه مواد جدید، مواد مورد نیاز برای فرایند لایه نشانی به سرعت روی منبع تبخیر بسیار داغ ریخته می شود.
۱-۶-۵ تبخیر با بهره گرفتن از قوس الکتریکی :
در این روش منبع حرارتی با ایجاد قوس الکتریکی بین دو سیم از جنس ماده پوشان تأمین می گردد و به عبارت دیگر این روش مخصوص پوشش دادن مواد رسانا می باشد. قوس بین دو سیم از جنس ماده پوشان ایجاد می گردد و آنها را ذوب می کند، سپس با بهره گرفتن از یک جریان گاز ذرات برروی زیر لایه قرار می گیرند. این روش سرعت پوشش دهی بسیار بالایی دارد و نسبتاً ارزان می باشد و نیاز به گاز های گران قیمت ندارد. این پوشش ها دارای چسبندگی و پیوستگی خوبی هستند.
۱-۷ کند وپاش
کندو پاش یکی از روش های لایه نشانی از فاز بخار است که به طور عمده برای تولید فیلم فلزات با ضخامت از نانو تا میکرو می باشد و تحت شرایط کنترل شده می توان نانو ذراتی تا حد ۳ نانومتر هم به این شیوه بدست آورد. اما فرایند کندوپاش عبارت است از کندو پاش اتم ها یا مولکول های هدف و ایجاد یک فیلم با یون های یک گاز خنثی که در پلاسما ایجاد شده و در میدان ایجاد کننده پلاسما شتاب می گیرند.
لایه نشانی کندوپاش به طور ذاتی یک روش پوشش دهی خلاء است. در عمل ماده مورد نظر جهت لایه نشانی یا همان هدف در مقابل زیر لایه و در فشار اولیه ۶-۱۰ تا ۱۰-۱۰ تور قرار می گیرند. معمول ترین شیوه تامین یون، عبور مداوم گازی همچون آرگون است که فشار را به ۱ تا ۱۰۰ تور افزایش داده پلاسما را تشکیل می دهد. پتانسیل منفی بین ۵/۰ تا KV 5 به هدف اعمال می شود]۱۵-۱۷[ .
یون های شتابدار انرژی جنبشی بسیار بالایی دارند به طوری که رسیدن به این سطح انرژی با حرارت دادن به نمونه امکان پذیر است. به علاوه لایه ایجاد شده مورد اصابت ذرات مختلف اما کم انرژی مثل اتم های هدف، یون های برگشتی گاز آلاینده و غیره قرار می گیرند. بنابراین اندر کنش یون - سطح تنها منحصر به هدف نیست بلکه در سنتیک جوانه زنی و رشد فیلم نیز تاثیر به سزایی دارد و کنترل بمباران یونی در هدف، خواص و زیر ساختار فیلم را تعیین می کند]۱۸-۱۹[.
۱-۸ رسوب شیمیایی بخار CVD
لایه نشانی بخار شیمیایی عبارت است از یک سری واکنش های فاز گازی که برروی یک زیر لایه جامد صورت می گیرد و موجب لایه نشانی برروی سطح آن می شود روش رسوب شیمیایی فاز بخار مستلزم رسوب گذاری ماده شامل نانوذرات از فاز گازی است. ماده آن قدر گرم می شود تا به صورت گاز درآید و سپس به صورت یک ماده جامد برروی سطح معمولاً، تحت خلاء رسوب گذاری می گردد. به عبارتی دیگر لایه نشانی بخار شیمیایی یک فرایند شیمیایی برای ساخت مواد جامد عملیاتی با خلوص بالاست روش های رسوب شیمیایی از بخار شامل روش هایی است که در آن جریان از گاز که حاوی ترکیبات فرار ماده یا موادی است که می خواهیم پوشش دهیم، وارد یک محفظه خلاء می شود. شرایط درون این محفظه کنترل شده است به نحوی که کنترل شرایط باعث انجام واکنش های شیمیایی در نزدیکی بستر یا روی بستر می شود و پوشش مورد نظر برروی سطح تشکیل می گردد، مواد اضافی حاصل از واکنش های شیمیایی در طول فرایند از سیستم خارج می شوند، لایه های بدست آمده از این روش می تواند لایه های فلزی - آلیاژی و ترکیبات نسوز نیمه هادی باشند. پارامتر های مربوط به فرایند نظیر دمای بستر، فشار گاز، غلظت مواد واکنش دهنده و نرخ جریان گاز تأثیر قابل توجهی بر خواص لایه بدست آمده دارند و با کنترل مناسب این پارامتر ها می توان به خواص مورد نظر دست یافت. به طور کلی واکنش هایی که در فرایند CVD انجام می شود عبارتند از :
یک سیستم CVD به طور کلی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است :
