صناعة الأغشية الرقيقة بتقنية الرشرشة sputtering technology

كثير من الصناعات والابحاث العلمية تقوم على تقنية الاغشية الرقيقة والتي تعرف باسم thin films وهي تحويل المادة في حالتها الصلبة او السائلة او الغازية إلى طبقات رقيقة جدا لا يتعدى سمكها الميكرون. والكثير من الدوائر الالكترونية المعتمدة على اشباه الموصلات تطورت بتطور تقنية الأغشية الرقيقة.

تقوم تقنية الاغشية الرقيقة على عملية ترسيب deposition الذرات او الجزيئات على ركيزة تعرف باسم substrate. تعد كقاعدة لدعم الاغشية الرقيقة وقد تكون هذه الركيزة من الزجاج او الكوارتز او السليكون او الالومنيوم. وهناك الكثير من التطبيقات الصناعية المختلفة للاغشية الرقيقة حيث تدخل في تركيب الاجهزة الالكترونية من مقاومات ومكثفات وترانزستور وشرائح الكترونية وفي الحقيقة كل التقنيات التي ننعم باستخدامها من اجهزة الكترونية دقيقة وذكية هي في الاساس نتيجة للتقدم في مجال صناعة الاغشية الرقيقة. كما انها تدخل في تصنيع الخلايا الشمسية والكواشف الضوئية التي تعمل في مدى محدد من الطيف الكهرومغناطيسي وادى التطور الكبير في تصنيع الاغشية الرقيقة إلى الدخول إلى عالم النانوتكنولوجي ودراسة خواص المواد على المقياس النانوي.

في هذا المقال من كيف تعمل الاشياء سوف نتحدث عن احد الطرق الكثيرة والمتعددة في تصنيع الاغشية الرقيقة وهي تقنية الرشرشة او الرش المهبطي وهي تعريب لتقنية هامة في صناعة الاغشية الرقيقة وهي sputtering technology وقد جاء التعريب كترجمة لفكرة عمل التقنية نفسها.

الفكرة الاساسية لتقنية الرشرشة Basic Sputtering Process

هناك الكثير من الطرق المستخدمة لترسيب المواد مثل المعادن والمواد السيراميكية والبلاستيك على اسطح معينة تعرف باسم الركيزة subtrate وتشكيل اغشية رقيقة. من بين هذه العمليات عملية الرشرشة sputtering والتي اصبحت واحدة من اكثر الطرق استخداما لتصنيع الاغشية الرقيقة. تعد تقنية الرشرشة sputtering من تقنيات الترسيب الفيزيائي للبخار physical vapor deposition والتي تختصر بالاحرف PVD. والتي فيها يتم ترسيب المواد على ركائز من خلال طرد او قذف او رش او انتزاع الذرات من مادة الهدف وترسيبها على الركيزة في حجيرة مفرغة.

تتم عملية الترسيب بالرشرشة sputtering من خلال تجهيز المادة الهدف او المصدر المراد استخدامها للحصول منها على اغشية رقيقة وتثبيتها في الحجيرة المفرغة، لتم قذفها بايونات غاز خامل وفي الاغلب يكون غاز الارجون ⁺Ar. التصادمات القوية لهذه الايونات مع مادة الهدف تعمل على انتزاع الذرات التي تتحرك حتى تصل إلى ركيزة الترسيب وتبدأ في التكثف على سطحها في صورة غشاء رقيق thin film. مع ترسيب المزيد من الذرات تبدأ في الالتحام مع بعضها البعض وتشكل طبقة ذرية مترابطة. يمكن الحصول على طبقة او اكثر من طبقة من هذه الذرات بالاعتماد على زمن الترسيب للحصول على السمك المطلوب كما هو موضح في الشكل ١.

شكل ١ المكونات الاساسية لنظام الترسيب بتقنية الرشرشة. يصدم الارجون المتأين الهدف ويحرر ذرات من الهدف تنتقل إلى ركيزة الترسيب. تشكل الالكترونات وايونات الارجون بلازما بالقرب من الهدف ويستخدم مجالا مغناطيسيا لتتحكم في انتشارها، مما ينتج عنه كفاءة ترسيب اعلى وغشاء رقيق بجودة عالية.

من الشرح السابق نرى كم هي العملية سهلة وبسيطة ولكن الالية الحقيقية هي اكثر تعقيدا. حيث يتم ادخال ذرات الارجون المتعادلة كهربائيا في غرفة الترسيب المفرغة عند ضغط يتراوح بين 1 إلى 10mTorr. يتم تطبيق فرق جهد DC بين الهدف وركيزة الترسيب يعمل على تأيين ذرات الارجون ويحولها إلى بلازما وهي عبارة عن غاز يحتوي على ايونات والكترونات عند درجة حرارة عالية. تعرف البلازما ايضا بتوهج التفريغ الكهربي glow discharge نظرا للضوء المنبعث منها. تعجل ايونات الارجون في اتجاه الهدف. والتصادمات الناتجة عن ايونات الارجون المعجلة مع الهدف تعمل على انتزاع ذرات الهدف، والتي بدورها تتحرك نحو ركيزة الترسيب وتستقر عليها. الالكترونات المتحررة خلال عملية تأيين الارجون تعجل نحول الركيزة وتتصادم بدروها مع المزيد من ذرات الارجون وتأين المزيد منها وتحرر المزيد من الالكترونات وتستمر الدورة كما هو موضح في الشكل ٢.

شكل ٢ تتأين ذرات الارجون باستخدام فرق جهد عالي، وتعجل الايونات في اتجاه الهدف. بعد التصادم تتحرر ذرات الهدف وتتحرك نحو الركيزة، حيث تترسب الذرات في صورة طبقات وتشكل غشاء رقيق.

استخدام المجال المغناطيسي في عملية الرشرشة Magnetron Sputtering Process

ادخلت الكثير من التحسينات على هذه التقنية لتعزيز عملية الترسيب. من اهم هذه الطرق هو استخدام المجال المغناطيسي ليصبح اسم التقنية نظام الرشرشة المغناطيسي magnetron sputtering system. الفرق الاساسي بين هذه الطريقة والطريقة التقليدية التي تم وصفها قبل قليل هو استخدام مجالا مغناطيسيا قويا بالقرب من الهدف. يتسبب المجال المغناطيسي القوي في جعل حركة الالكترونات في مسار حلزوني على امتداد خطوط الفيض المغناطيسي بالقرب من الهدف بدلا من انجذابها مباشرة نحو ركيزة الترسيب.

من مزايا هذه الطريقة هو حصر البلازما بالقرب من الهدف بدون التسبب في حدوث اي ضرر على الغشاء الرقيق اثناء ترسيبه. كما ان الالكترونات تتحرك لمسافات اطول وهذا يزيد من احتمالية تأيين المزيد من ذرات الارجون. هذا يؤدي إلى توليد بلازما مستقرة مع كثافة عالية من الايونات. المزيد من الايونات يعني المزيد من الذرات المتحررة من الهدف، وبالتالي زيادة كفاءة عملية الترسيب بتقنية الرشرشة. ان زيادة معدل الترسيب يعمل على تقليل الشوائب المتكونة على الغشاء الرقيق وزيادة المسافة بين البلازما والركيزة يقلل الضرر الحادث عن اصطدام ايونات الارجون والالكترونات احيانا مع الغشاء الرقيق كما هو موضح في الشكل ٣.

شكل ٣ مقارنة بين تقنية الرشرشة التقليدية على اليمين وتقنية الرشرشة المغناطيسية على اليسار.

ملاحظة: تحدد كفاءة عملية الترسيب بحصلية الرشرشة sputtering yield والتي تعرف على انها عدد ذرات الهدف المتحرر لكل ايون ارجون عند طاقة حركة معينة. على سبيل المثال اذا تحررت ذرتين من مادة الهدف مع كل تصادم بايون ارجون فان حصيلة الرشرشة تكون في هذه الحالة تساوي 2.

ملاحظة: عند التعامل مع هدف من مادة موصلة يستخدم مصدر طاقة DC power supply. عند التعامل مع هدف من مادة عازلة او شبه موصلة يستخدم مصدر طاقة متردد RF power supply.

اتمنى لكم الفائدة وان شاء الله نلتقي بمقالات اخرى في مجال تصنيع الاغشية الرقيقة ….

دكتور حازم فلاح سكيك