فرن الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) وترسيب البخار الكيميائي المعزز بالبلازما (PECVD)

ترسيب البخار الكيميائي (CVD) عبارة عن تقنية تستخدم مصادر طاقة مختلفة مثل التسخين أو إثارة البلازما أو الإشعاع الضوئي للتفاعل الكيميائي مع المواد الكيميائية الغازية أو البخارية على الطور الغازي أو السطح البيني الغازي الصلب لتكوين رواسب صلبة في المفاعل عن طريق تفاعل كيميائي: لتوضيح الأمر ببساطة ، يتم إدخال مادتين أو أكثر من المواد الخام الغازية في غرفة التفاعل ، ثم تتفاعل مع بعضها البعض لتشكيل مادة جديدة وترسبها على سطح الركيزة.

فرن CVD هو نظام أفران واحد مدمج مع وحدة فرن أنبوبية ذات درجة حرارة عالية ، ووحدة تحكم في الغازات ، ووحدة تفريغ ، ويستخدم على نطاق واسع لتجربة وإنتاج المواد المركبة ، وعملية الإلكترونيات الدقيقة ، والإلكترونيات الضوئية لأشباه الموصلات ، واستخدام الطاقة الشمسية ، واتصالات الألياف الضوئية ، والموصل الفائق التكنولوجيا ، مجال الطلاء الواقي.

فرن أنبوب المختبر هو أحد أفران الأنبوب ذات درجة الحرارة العالية للتسخين الخارجي الكلاسيكي ، ويسمى أيضًا فرن تسخين الجدار الساخن.

وفقًا لدرجات حرارة العمل المختلفة ، يمكن أن تكون مادة أنبوب الفرن عادةً عبارة عن أنابيب كوارتز شفافة وأنابيب سيراميك الألومينا عالية النقاء وأنابيب سبائك معدنية عالية القوة.

لتلبية أغراض البحث الحراري المختلفة ، يمكن تصميم فرن الأنبوب بمناطق تسخين متعددة ، وذلك للحصول على تحكم مرن في تدرج درجة الحرارة في غرفة عمل الأنبوب ؛ يمكن أن يعمل أنبوب الفرن مع بيئة عمل ذات جو متحكم فيه أو بيئة عمل ذات فراغ عالي.

يتكون نظام فرن CVD من وحدة فرن أنبوبية ذات درجة حرارة عالية ، ووحدة تحكم دقيقة بمصدر الغاز المتفاعل ، ومحطة مضخة تفريغ وأجزاء تجميع مقابلة.

تعمل مضخة التفريغ على إزالة الهواء من أنبوب التفاعل ، والتأكد من عدم وجود غازات غير مرغوب فيها داخل أنبوب التفاعل ، وبعد ذلك يقوم الفرن الأنبوبي بتسخين أنبوب التفاعل إلى درجة حرارة مستهدفة ، ثم يمكن لوحدة التحكم الدقيقة في مصدر الغاز المتفاعل إدخال مختلف الغازات ذات النسبة المحددة في أنبوب الفرن للتفاعل الكيميائي ، سيتم تشكيل ترسيب البخار الكيميائي في فرن CVD.

يتم وضع عناصر تسخين الفرن الأنبوبي حول التجويف الأسطواني ، ويمكن للفرن فقط تسخين العينات في التجويف الأسطواني من خلال الإشعاع الحراري غير المباشر ، نظرًا لأن أنبوب الفرن يمكن أن يمنع مادة العينة من الاتصال بعناصر تسخين الفرن ومواد العزل ، لذلك يخلق الفرن الأنبوبي عزلًا نظيفًا غرفة الحرارة وتقليل مخاطر تلوث مادة العينة بالفرن.

هناك مصادر غاز هائلة يمكن استخدامها في عملية الأمراض القلبية الوعائية ، والتفاعلات الكيميائية الشائعة لأمراض القلب والأوعية الدموية تشمل الانحلال الحراري ، والتحلل الضوئي ، والاختزال ، والأكسدة ، والاختزال ، وبالتالي يمكن استخدام الغازات المشاركة في هذه التفاعلات الكيميائية في عملية الأمراض القلبية الوعائية.

نأخذ نمو الجرافين CVD على سبيل المثال ، الغازات المستخدمة في عملية CVD ستكون CH4 و H2 و O2 و N2.

يستخدم الفرن الأنبوبي بشكل أساسي في المعادن والزجاج والمعالجة الحرارية وأنود الليثيوم ومواد الكاثود والطاقة الجديدة والمواد الكاشطة وغيرها من الصناعات ، وهو عبارة عن معدات احترافية لقياس المواد تحت ظروف درجات حرارة معينة.

يتميز فرن الأنبوب بالهيكل البسيط والتشغيل السهل والتحكم السهل والإنتاج المستمر.

يتم استخدام فرن الأنبوب أيضًا على نطاق واسع في أنظمة CVD (ترسيب البخار الكيميائي) وأنظمة CVD المحسنة بالبلازما.

عادةً ما يستخدم ترسيب الأغشية الرقيقة المعادن والأكاسيد والمركبات كمواد ، ولكل منها مزاياها وعيوبها الفريدة. تُفضل المعادن لقوة تحملها وسهولة ترسيبها ولكنها غالية الثمن نسبيًا. الأكاسيد شديدة التحمل ، ويمكن أن تتحمل درجات الحرارة العالية ، ويمكن أن تترسب في درجات حرارة منخفضة ، ولكن يمكن أن تكون هشة وصعبة للعمل معها. توفر المركبات القوة والمتانة ، ويمكن ترسيبها في درجات حرارة منخفضة ومصممة لإظهار خصائص محددة.

يعتمد اختيار مادة الطلاء الرقيق على متطلبات التطبيق. المعادن مثالية للتوصيل الحراري والكهربائي ، بينما الأكاسيد فعالة في توفير الحماية. يمكن تصميم المجمعات لتناسب الاحتياجات الخاصة. في النهاية ، ستعتمد أفضل المواد لمشروع معين على الاحتياجات المحددة للتطبيق.

• يمكن إنتاج مجموعة واسعة من الأفلام ، والأفلام المعدنية ، والأفلام اللافلزية ، والأفلام ذات السبائك المتعددة المكونات حسب الحاجة. في الوقت نفسه ، يمكنها تحضير بلورات عالية الجودة يصعب الحصول عليها بطرق أخرى ، مثل GaN و BP وما إلى ذلك.
• سرعة تشكيل الفيلم سريعة ، عادة ما تكون عدة ميكرونات في الدقيقة أو حتى مئات الميكرونات في الدقيقة. من الممكن إيداع كميات كبيرة من الطلاءات ذات التركيب الموحد في وقت واحد ، وهو أمر لا يضاهى بطرق تحضير الفيلم الأخرى ، مثل epitaxy المرحلة السائلة (LPE) و epitaxy الحزمة الجزيئية (MBE).
• يتم تنفيذ ظروف العمل تحت ضغط عادي أو ظروف فراغ منخفضة ، وبالتالي فإن الطلاء له انعراج جيد ، ويمكن طلاء قطع العمل ذات الأشكال المعقدة بشكل موحد ، وهو أفضل بكثير من PVD.
• نظرًا للانتشار المتبادل لغاز التفاعل ومنتج التفاعل والركيزة ، يمكن الحصول على طلاء بقوة التصاق جيدة ، وهو أمر ضروري لإعداد أغشية مقواة بالسطح مثل الأفلام المقاومة للتآكل والمضادة للتآكل.
• تنمو بعض الأفلام عند درجة حرارة أقل بكثير من درجة انصهار مادة الفيلم. في ظل حالة النمو في درجات الحرارة المنخفضة ، لا يتفاعل غاز التفاعل وجدار المفاعل والشوائب الموجودة فيهما تقريبًا ، لذلك يمكن الحصول على فيلم بنقاوة عالية وتبلور جيد.
• يمكن أن يحصل ترسيب البخار الكيميائي على سطح ترسيب أملس. هذا لأنه بالمقارنة مع LPE ، يتم إجراء ترسيب البخار الكيميائي (CVD) تحت إشباع عالٍ ، مع معدل تنوي مرتفع ، وكثافة تنوي عالية ، وتوزيع منتظم على المستوى بأكمله ، مما ينتج عنه سطح أملس مجهري. في الوقت نفسه ، في ترسيب البخار الكيميائي ، يكون متوسط المسار الحر للجزيئات (الذرات) أكبر بكثير من LPE ، وبالتالي يكون التوزيع المكاني للجزيئات أكثر اتساقًا ، مما يؤدي إلى تكوين سطح ترسيب أملس.
• ضرر الإشعاع المنخفض ، وهو شرط ضروري لتصنيع أشباه موصلات أكسيد المعادن (MOS) والأجهزة الأخرى

يمكن أن يعمل فرن الأنبوب بوظائف ميكانيكية مختلفة بسلاسة ، لذلك هناك العديد من الأنواع المختلفة للأفران الأنبوبية لأغراض التجربة المختلفة ، وأفران الأفران النموذجية على النحو التالي:

• فرن أنبوب أفقي
• فرن أنبوب عمودي
• فرن ذو أنبوب منفصل
• فرن أنبوب دوار
• فرن أنبوب مائل
• انزلاق الفرن الأنبوبي
• فرن تسخين وتبريد سريع
• تغذية مستمرة وفرن أنبوب التفريغ

لتحقيق أغشية رقيقة بخصائص مرغوبة ، فإن أهداف الرش عالية الجودة ومواد التبخر ضرورية. يمكن أن تتأثر جودة هذه المواد بعوامل مختلفة ، مثل النقاء وحجم الحبوب وحالة السطح.

تلعب نقاوة أهداف الرش أو مواد التبخر دورًا مهمًا ، حيث يمكن أن تتسبب الشوائب في حدوث عيوب في الطبقة الرقيقة الناتجة. يؤثر حجم الحبوب أيضًا على جودة الأغشية الرقيقة ، حيث تؤدي الحبيبات الأكبر حجمًا إلى خصائص رديئة. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر حالة السطح حاسمة ، حيث يمكن أن تؤدي الأسطح الخشنة إلى حدوث عيوب في الفيلم.

لتحقيق أهداف الرش ومواد التبخر بأعلى جودة ، من الضروري اختيار المواد التي تتميز بدرجة نقاء عالية ، وحجم حبيبات صغير ، وأسطح ناعمة.

أغشية رقيقة من أكسيد الزنك

تجد أغشية ZnO الرقيقة تطبيقات في العديد من الصناعات مثل الحرارية والضوئية والمغناطيسية والكهربائية ، ولكن استخدامها الأساسي هو في الطلاء وأجهزة أشباه الموصلات.

المقاومات ذات الأغشية الرقيقة

تعتبر مقاومات الأغشية الرقيقة ضرورية للتكنولوجيا الحديثة وتُستخدم في مستقبلات الراديو ولوحات الدوائر وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة التردد الراديوي والشاشات وأجهزة التوجيه اللاسلكية ووحدات البلوتوث وأجهزة استقبال الهواتف المحمولة.

أغشية مغناطيسية رقيقة

تُستخدم الأغشية الرقيقة المغناطيسية في الإلكترونيات ، وتخزين البيانات ، وتحديد الترددات الراديوية ، وأجهزة الميكروويف ، والشاشات ، ولوحات الدوائر ، والإلكترونيات الضوئية كمكونات رئيسية.

أغشية بصرية رقيقة

تعتبر الطلاءات الضوئية والإلكترونيات الضوئية من التطبيقات القياسية للأغشية الضوئية الرقيقة. يمكن أن تنتج epitaxy الشعاع الجزيئي أجهزة رقيقة إلكترونية ضوئية (أشباه موصلات) ، حيث تترسب الأغشية فوق المحورية ذرة واحدة في كل مرة على الركيزة.

أغشية رقيقة من البوليمر

تستخدم أغشية البوليمر الرقيقة في رقائق الذاكرة والخلايا الشمسية والأجهزة الإلكترونية. توفر تقنيات الترسيب الكيميائي (CVD) تحكمًا دقيقًا في طلاء أغشية البوليمر ، بما في ذلك المطابقة وسمك الطلاء.

بطاريات الأغشية الرقيقة

تعمل بطاريات الأغشية الرقيقة على تشغيل الأجهزة الإلكترونية مثل الأجهزة الطبية القابلة للزرع ، وقد تقدمت بطارية الليثيوم أيون بشكل كبير بفضل استخدام الأغشية الرقيقة.

طلاء الأغشية الرقيقة

تعزز الطلاءات ذات الأغشية الرقيقة الخصائص الكيميائية والميكانيكية للمواد المستهدفة في مختلف الصناعات والمجالات التكنولوجية. تعتبر الطلاءات المضادة للانعكاس ، والطلاءات المضادة للأشعة فوق البنفسجية أو المضادة للأشعة تحت الحمراء ، والطلاءات المضادة للخدش ، واستقطاب العدسة من الأمثلة الشائعة.

الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة

تعد الخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة ضرورية لصناعة الطاقة الشمسية ، مما يتيح إنتاج كهرباء رخيصة ونظيفة نسبيًا. الأنظمة الكهروضوئية والطاقة الحرارية هما التقنيتان الرئيسيتان اللتان يمكن تطبيقهما.

PECVD هي تقنية تستخدم البلازما لتنشيط غاز التفاعل ، وتعزيز التفاعل الكيميائي على سطح الركيزة أو بالقرب من مساحة السطح ، وتوليد فيلم صلب. المبدأ الأساسي لتقنية ترسيب البخار الكيميائي للبلازما هو أنه تحت تأثير المجال الكهربائي RF أو DC ، يتأين غاز المصدر لتشكيل بلازما ، وتستخدم البلازما منخفضة الحرارة كمصدر للطاقة ، وكمية مناسبة من غاز التفاعل يتم إدخاله ، ويتم استخدام تفريغ البلازما لتنشيط غاز التفاعل وتحقيق ترسب البخار الكيميائي.

وفقًا لطريقة توليد البلازما ، يمكن تقسيمها إلى بلازما RF ، بلازما DC وبلازما ميكروويف CVD ، إلخ ...

معدل الترسيب:

يُعد معدل إنتاج الفيلم ، الذي يُقاس عادةً بالسمك مقسومًا على الوقت ، أمرًا بالغ الأهمية لاختيار تقنية مناسبة للتطبيق. معدلات الترسيب المعتدلة كافية للأغشية الرقيقة ، في حين أن معدلات الترسيب السريع ضرورية للأغشية السميكة. من المهم تحقيق توازن بين السرعة والتحكم الدقيق في سماكة الفيلم.

التوحيد:

يُعرف تناسق الفيلم عبر الركيزة بالتوحيد ، والذي يشير عادةً إلى سمك الفيلم ولكن يمكن أن يرتبط أيضًا بخصائص أخرى مثل مؤشر الانكسار. من المهم أن يكون لديك فهم جيد للتطبيق لتجنب التوحيد أو الإفراط في تحديده.

القدرة على التعبئة:

تشير إمكانية التعبئة أو تغطية الخطوة إلى مدى تغطية عملية الترسيب لتضاريس الركيزة. طريقة الترسيب المستخدمة (على سبيل المثال ، CVD ، أو PVD ، أو IBD ، أو ALD) لها تأثير كبير على تغطية الخطوة والتعبئة.

خصائص الفيلم:

تعتمد خصائص الفيلم على متطلبات التطبيق ، والتي يمكن تصنيفها على أنها فوتونية أو بصرية أو إلكترونية أو ميكانيكية أو كيميائية. يجب أن تفي معظم الأفلام بالمتطلبات في أكثر من فئة واحدة.

درجة حرارة العملية:

تتأثر خصائص الفيلم بدرجة كبيرة بدرجة حرارة العملية ، والتي قد تكون محدودة بالتطبيق.

ضرر:

كل تقنية ترسيب لديها القدرة على إتلاف المواد التي يتم ترسيبها ، حيث تكون الميزات الأصغر أكثر عرضة لتلف العملية. يعد التلوث والأشعة فوق البنفسجية والقصف الأيوني من بين المصادر المحتملة للضرر. من الأهمية بمكان فهم قيود المواد والأدوات.

الفرق بين PECVD وتقنية CVD التقليدية هو أن البلازما تحتوي على عدد كبير من الإلكترونات عالية الطاقة ، والتي يمكن أن توفر طاقة التنشيط المطلوبة في عملية ترسيب البخار الكيميائي ، وبالتالي تغيير نمط إمداد الطاقة لنظام التفاعل. نظرًا لأن درجة حرارة الإلكترون في البلازما تصل إلى 10000 كلفن ، فإن الاصطدام بين الإلكترونات وجزيئات الغاز يمكن أن يعزز كسر الرابطة الكيميائية وإعادة اتحاد جزيئات غاز التفاعل لتوليد مجموعات كيميائية أكثر نشاطًا ، بينما يحافظ نظام التفاعل بأكمله على درجة حرارة منخفضة.

بالمقارنة مع عملية CVD ، يمكن لـ PECVD تنفيذ نفس عملية ترسيب البخار الكيميائي مع درجة حرارة منخفضة.