روش های رسوب دهی شیمیایی بخار

روش های رسوب دهی شیمایی بخار

انواع مختلفی از روش های رسوب دهی شیمیایی بخار (CVD Techniques) وجود دارد و هم چنین روش‌ های مختلفی برای طراحی راکتور این فرآیند موجود است. مهم ‌ترین روش، راکتور با دیواره سرد است. در این راکتور زیرپایه گرم نگه داشته می‌ شود بدون اینکه دیواره ‌های راکتور گرم شوند. طراحی این گونه راکتور به دلیل سرد بودن دیواره‌ ها، از هدر رفتن مواد اولیه جلوگیری می‌ کند.

راکتور دیگری که کاربرد زیادی در صنعت دارد، راکتور با دیواره گرم است. در این راکتور علاوه بر زیرپایه، دیواره ‌ها نیز گرم می‌ شود. در این راکتور از کوره خارجی استفاده می ‌شود و برای سیستم ‌های تبخیر – رسوب دهی که واکنش ‌های فاز گازی ترجیح داده می‌شود (مانند ساخت نانو پودرها)، مناسب است. انواع سیستم‌ هایی که با استفاده از روش رسوب دهی شیمیایی بخار، نانو مواد را تهیه می‌کنند عبارتند از:

1- انواع روش های CVD مانند (LP-CVD, MOCVD, PE-CVD)

2- تراکم شیمیایی بخار (CVC)

3- رسوب‌گیری ذرات با استفاده از روش (PP-CVD)

4- رسوب دهی شیمیایی بخار کاتالیزوری

انواع روش های CVD

روش CVD می‌تواند تحت خلا و یا فشار های پایین انجام شود. اگر از فشار های پایین استفاده شود، رسوب دهی شیمیایی بخار فشار پایین  LP-CVD یا (Low pressure chemical vapor deposition) نامیده می‌شود. معمولا در این سیستم جوانه زنی فاز گازی کاهش می ‌یابد و بنابراین برای ساخت فیلم جامد روی زیرپایه و بدون ذرات ناخواسته، مناسب است. فیلم جامد می‌تواند به ‌صورت آمورف، چند بلوری و یا تک بلور با خواص ویژه روی زیرپایه مناسب تهیه شود. راکتور CVD می‌تواند به دو صورت افقی و یا عمودی ساخته شود. هنگامی که راکتور به‌ صورت افقی باشد، جریان گاز به‌ صورت موازی با سطح زیرپایه است و هنگامی که راکتور عمودی باشد، جریان گاز عمود بر سطح زیرپایه است. اخیرا با استفاده از پیش ماده‌های آلی- فلزی، دمای رشد کاهش یافته و بنابراین می ‌توان فیلم ‌های نازک با کیفیت بهتری تهیه کرد. این روش به رسوب دهی شیمیایی بخار آلی- فلز (MOCVD) یا Metal Organic Chemical Vapor Deposition معروف است. می‌ توان از منابع پر انرژی مثل پلاسما و یا نور فرابنفش نیز در این روش استفاده کرد که در این صورت به ترتیب رسوب دهی شیمیایی بخار پلاسما (PE-CVD) یا Plasma Enhanced CVD و رسوب دهی شیمیایی بخار فوتونی (Photo-CVD) نامیده می ‌شود.

در اکثر فرآیند های CVD، به دلیل از بین رفتن مواد اولیه و نیز ایجاد ذرات ناخواسته در فیلم ایجاد شده، باید از تشکیل ذرات در فاز گازی جلوگیری کرد. اما تحت شرایط آزمایشی مشخصی مانند ساخت نانوپودرها و یا نانوذرات، تشکیل ذرات در فاز گاز مطلوب است. جوانه زنی در فاز گاز و کنترل رشد ذرات از مهم‌ ترین فاکتور های فرآیند رشد است. توزیع اندازه ذرات توسط تعداد جوانه های تشکیل ‌شده در راکتور و غلظت تراکم مواد، کنترل می‌ شود. به وسیله افزایش دما و فشار کلی، کاهش سرعت جریان کلی و ترکیب محلی فاز گاز به نظر می‌رسد می‌توان تعادلات فاز گازی همگن را به‌ دست آورد. این یکی از ویژگی‌ های راکتور با دیواره گرم است. تحت این شرایط، حالت فوق اشباعی در فاز گاز به‌دست می‌ آید.

تراکم شیمیایی بخار CVC

تراکم شیمیایی بخار CVC  یا (Chemical Vapor Condensation) در واقع سیستم بهینه شده روش CVD است. اصول کلی این روش بر پایه جوانه زنی فاز گاز (جوانه زنی همگن) است. طرح شماتیکی این دستگاه در شکل روبرو نشان داده شده است. این ترکیبات در دسترس بوده و در دما های پایین پیرولیز می‌ شوند. ابتدا گاز حاصل با پیش ماده مورد نظر در دمای اتاق مخلوط می‌ شود. بخار مورد نظر با سرعت مشخصی، وارد محفظه تحت خلا (1-10102×) پاسکال می شود. سپس ترکیبات آلی- فلزی از یک لوله گرم عبور داده می‌ شود. در طی زمان اقامت کوتاه مولکول‌ های پیش ماده درون لوله، مولکول ‌ها به‌ صورت انفرادی تخریب می‌  شوند و سپس برای تشکیل خوشه ‌ها و ذرات کوچک به هم می‌ چسبند. با خروج از لوله گرم شده، انبساط سریع خوشه‌ ها و یا ذرات، رشد و به هم چسبیدن آن‌ ها را کاهش می ‌دهد. در نهایت ذرات روی زیرپایه گردان متراکم می‌ شود. این در حالی است که زیرپایه توسط نیتروژن مایع سرد نگه داشته می ‌شود.

رسوب‌گیری ذرات PP-CVD

رسوب‌گیری ذرات (PP-CVD) یا Particle Precipitation Aided Chemical Vapor Deposition برای تهیه نانوذرات سرامیکی مختلف به کار می رود. این روش ابتدا توسط کومی‌یاما طراحی شد. در روش رسوب‌گیری ذرات با استفاده از رسوب دهی شیمیایی بخار، در دماهای بالا، dl آئروسل ایجاد می ‌شود. ذرات رسوب داده شده، با استفاده از نیروی خارجی بر روی زیرپایه قرار می ‌گیرد. ذرات سست نشانده شده روی زیرپایه می‌ توانند تحت فرآیند زینتر (تف‌جوشی) قرار گیرند تا لایه متخلخل ایجاد شود و یا اینکه به‌ طور همزمان واکنش ناهمگنی بر روی ذرات ایجاد شود که این فرآیند منجر به تشکیل پیوند های بین ذرات می ‌شود. فرآیند PP-CVD در سه مرحله انجام می‌شود: - تشکیل ذرات - نشست ذرات - تشکیل پیوند بین ذرات و یا زینتر آن ‌ها شکل روبرو طرح شماتیکی از مراحل مختلف این فرآیند را نشان می‌ دهد. با استفاده از این تکنیک می ‌توان فیلم‌ های متخلخل را با استفاده از نانوذرات، متراکم ‌تر کرد و کاربردهای متنوعی برای این فیلم‌ها، ایجاد کرد. به‌ عنوان مثال محافظت کاتالیزوری، غشا های سرامیکی و یا الکترود های متخلخل. ساختار نهایی به وسیله ترکیب ذرات نشانده شده، فرآیند زینتر و یا واکنش ‌های ناهمگن کنترل می‌ شود. به دلیل تشکیل ذرات در فاز گاز، ضخامت فیلم غیریکنواخت است. اما اگر دو فرآیند مهم تشکیل ذرات و واکنش‌ های ناهمگن از یکدیگر جدا شوند می‌ توان فیلم‌ هایی با کیفیت مطلوب‌تر تهیه کرد.

از دستگاه نشان داده شده در شکل روبرو برای تهیه مواد متخلخل TiN استفاده می‌شود. نازل برای جداسازی واکنش ‌دهنده‌ ها استفاده می‌ شود (مثلا TiCl4/H2 و NH3/N2). گاز NH3 از طریق قسمت درونی نازل و TiCl4 از طریق قسمت درونی آن به راکتور وارد می‌ شود. زیرپایه به وسیله جریان هوا سرد نگه داشته می‌ شود که سرعت عبور جریان هوا، دمای زیرپایه را کنترل می ‌کند. تفاوت دما بین زیرپایه و فاز گازی نشست ذرات را روی زیرپایه فراهم می ‌کند. تفاوت دمای خیلی کم بین زیرپایه و فاز گاز اثر قابل ملاحظه ‌ای روی ریز ساختار لایه نشانده شده دارد. به علاوه افزایش گرادیان دمایی، سرعت رسوب ذرات را افزایش می‌ دهد.  در این شرایط سرعت واکنش‌ های ناهمگن به اندازۀ کافی بالاست. تفاوت دمایی بیشتر از 20، منجر به نشست ذرات سست می‌ شود. می‌ توان از لیزر CO2 نیز برای ساخت نانو ساختارهای سرامیکی بهره برد. به دلیل توانایی جذب لیزر CO2 توسط ترکیبات آلی- فلزی، در این روش باید از این ترکیبات بهره برد. بنابراین پیش ماده‌ های گازی مستقیما از طریق جذب لیزر گرم شده و تخریب می ‌شوند تا در نهایت نانوذرات سرامیکی را ایجاد کنند. سپس ذرات تحت تأثیر گرادیان دمایی، روی زیرپایه جذب می‌ شوند. به دلیل وجود گرادیان دمایی بین زیرپایه و منطقه واکنش که توسط باریکه لیزر گرم می شود، آرایش ذرات نشانده شده بهتر انجام می‌ شود. به علاوه می ‌توان واکنش‌ های ناهمگن را مستقل از واکنش ‌های فاز گاز، کنترل کرد.

رسوب دهی شیمیایی بخار کاتالیزوری

در رسوب دهی شیمیایی بخار کاتالیزوری (Catalytic Chemical Vapor Deposition)، معمولا از ذرات فلزات عناصر واسطه (مانند آهن، نیکل و کبالت) به‌عنوان کاتالیزور استفاده می ‌شود. در این روش فلزات، در واکنش تخریب کاتالیزوری هیدروکربن‌ های مختلف شرکت می‌ کند و نانولوله‌ های کربنی و یا فیبر های کربنی را ایجاد می ‌کند. برخی از این مدل ‌ها برای ساخت صنعتی نانولوله‌ های کربنی گسترش یافته‌ اند. اولین مرحله این فرآیند شامل تخریب مولکول‌ های هیدروکربن روی سطوح ذرات کاتالیزور است. در ادامه، کربن در ذرات کاتالیزور نفوذ می ‌کند. پیشنهاد می‌ شود که نیروی لازم برای نفوذ کربن به ذرات کاتالیزور از طریق گرادیان دمایی حاصل از واکنش گرمازای تخریب مولکول ‌های هیدرو کربن تامین ‌شود. افزایش کربن روی وجوه کاتالیزور ها باعث می ‌شود تا در اطراف سطوح کاتالیزور ها پوسته‌ های گرافیتی ایجاد شود. اگر ذرات کاتالیزوری محکم به زیر پایه نچسبیده باشند، ذرات کاتالیزور روی نوک نانولوله رشد یافته قرار می‌ گیرد، در حالی که اگر به زیرپایه بسیار محکم چسبیده باشد، ذرات در انتهای نانولوله رشد یافته و اتم‌های کربن از پایین نانولوله به آن متصل می‌شوند. در شکل روبرو تفاوت بین این دو روش نشان داده شده است.

منابع و پیوندها

روش های رسوب دهی شیمیایی بخار از دید wikipedia.org

A number of forms of CVD are in wide use and are frequently referenced in the literature. These processes differ in the means by which chemical reactions are initiated (e.g., activation process) and process conditions.

- Classified by operating pressure:

Atmospheric pressure CVD (APCVD) – CVD process at atmospheric pressure , Low-pressure CVD (LPCVD) – CVD process at sub-atmospheric pressures. Reduced pressures tend to reduce unwanted gas-phase reactions and improve film uniformity across the wafer , Ultrahigh vacuum CVD (UHVCVD) – CVD process at very low pressure, typically below 10⁻⁶ Pa (~10⁻⁸ torr). Note that in other fields, a lower division between high and ultra-high vacuum is common, often 10⁻⁷ Pa. Most modern CVD processes are either LPCVD or UHVCVD...More