فیلم چند لایه نانو ساختار CrN/Si3N4

فیلم چند لایه نانو ساختار CrN/Si3N4 – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه متالورژی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

ریز ساختار و خواص فیلم های چند لایه نانو ساختار CrN/Si₃N₄

چکیده

 فیلم های چند لایه نانو ساختار CrN/Si₃N₄ بر روی ویفرهای Si (1 0 0)  با استفاده از سیستم فلزپوشی ماگنترون راکتیو فرکانس- رادیویی ساخته شد. ریز ساختارها، توپوگرافی سطح و خواص فیلم ها یا لایه های مربوطه با استفاده از پراش پرتوی ایکس، طیف بینی الکترونی آگر (Auger)، بازتاب پذیری پرتو ایکس، میکروسکوپ نیروی هسته ای و سیستم اثر گذار یا فروشونده نانویی مورد بررسی قرار گرفت. فیلم های تک لایه  CrN و Si₃N₄ به ترتیب بصورت چند بلورین با ساختارهایی مکعب مراکز وجوه پر و امورف یا بی ریخت بوده اند. لایه های CrN و Si₃N₄ در سیستم های چند لایه تقریبا در حالت عنصر سنجی (استوئچیومتریک) می باشند. سطوح مشترک بین لایه های CrN و Si₃N₄ بسیار تیز هستند چرا که آنها یک فاز بین وجهی را تشکیل نمی‌دهند. توپوگرافی سطح نشان دهنده چند لایه های CrN/Si₃N₄ در یک دوره مدولاسیون کوتاه به صورت کاملا صاف‌تری در مقایسه با مواد تشکیل دهنده لایه های یکپارچه CrN و Si₃N₄ هستند. چنین موردی در نتیجه وقفه رشد دانه ستونی از طریق جایگزینی  ته نشست شدگی  CrN بلور و Si₃N₄ بی ریخت می‌باشد. مقادیر سختی چند لایه ها در مقطع های مدلاسیون مختلف در بین مقادیر لایه های تشکیل دهنده CrN  و Si₃N₄  جای می‌گیرند. تاثیر فوق سختی در این سیستم مشاهده نگردید. ارتباطات بین ریزساختارها و خواص مکانیکی مورد بحث قرار می‌گیرند.

کلمات کلیدی: رسوب سازی با بخار به صورت فیزیکی، CrN/Si₃N₄ ، چند لایه ها، زبری سطح، سختی

فیلم چند لایه نانو ساختار CrN/Si3N4

۱- مقدمه

در خلال دهه های گذشته، لایه ها یا فیلمهای TiNکه از طریق تکنیک رسوب بخار فیزیکی (PVD) یا رسوب بخار شیمیایی(CVD) ته نشست گردیده اند از کاربردهای گسترده ای در سیستم‌های ضد فرسایشی، نظیر برش ابزار یا قطعات ماشینی، بواسطه سختی بالا، مقاومت سایشی، خنثی بودن یا بی اثری شیمیای و ثبات دمای بالا،  برخوردار گردیده اند. علاوه بر بررسی فیلمهای مبتنی بر-TiN، اخیرا توجه زیادی بر روی نیتریدهای فلزی دیگری که به واسطه فرایند PVD رشد می نمایند، نظیر CrN، Si₃N₄، MoN، HfN و WN معطوف  شده است که در این بین توجه خاصی به Cr–N و Si₃N₄ نیز مبذول گردیده است. سیستم پوششی Cr–N در خلال ۱۰سال اخیر به صورت گسترده‌ای مورد بررسی قرار گرفته است. این موضوع مشخص شد که پوشش های CrN نشان دهنده پایداری ممتازی در برابر خوردگی و فرسایش می باشند و دارای از مقاومت بهتری نیز در برابر اکسیداسیون برخوردار هستند و علاوه بر آن چسبندگی بهتری نیز به فولاد ابزار در مقایسه با فیلمهای TiN دارند. فیلمهای CrN که با استفاده از تکنیک های PVD ته نشست شده اند نشان دهنده پتانسیلی برای کاربردهای عملی در صنعت می باشند. Si₃N₄ ماده ای با سختی بالا همراه با پایداری حرارتی و شیمیایی زیاد و کنش پذیری در تعدادی از مواد می باشند. فیلمهای Si₃N₄ به طور گسترده ای در مدارهای مجمتع دارای مقیاس بسیار بزرگ، ماسک ها / پوشش‌های اکسیداسیون، دی الکتریک‌های گیت، ترانزیستورهای لایه یا فیلم نازک و مواد دارای پوشش سخت بکار گرفته شده اند.

این موضوع مشخص گردید که چند لایه ها قابلیت ترکیب خواص مواد تشکیل دهنده یا مواد اصلی را داشته و توانایی ارتقای خواص به هنگامی که با فیلم های تک لایه واحد مقایسه می شوند را خواهند داشت. چند لایه ها همراه با نواحی سطح میانجی/ سطورح مشترک بهینه شده به نظر امید دهنده ترین مواد با توجه به سختی بهینه در مبحث ضریب چقرمگی- سختی می باشند. تا کنون هیچ گونه نتایجی در زمینه چند لایه های نانو- ساختار CrN/Si₃N₄ PVD گزارش نشده است.

بواسطه خواص عالی مکانیکی و تریبولاجیکی (خواص مقاومتی در برابر سایش و اصطکاک) جهت کاربردهای خاص فیلمهای تک لایه CrN و  Si₃N₄، ما در زمینه ته نشست سازی چند لایه‌های CrN/Si₃N₄ ، به منظور حاصل آوردن خواص پیچیده ارتقا یافته، در مقایسه با فیلمهای تک لایه، تلاش‌ها و مطالعاتی را انجام دادیم. مقاله کنونی بر روی نتایج رشد، ریز ساختار و سختی فیلمهای نانو- چند لایه CrN/Si₃N₄ تمرکز دارد.

فیلم چند لایه نانو ساختار CrN/Si3N4

۲- رویه تجربی

۱-۲٫ ته نشست شدگی فیلم

فیلمهای تک لایه ای CrN  و Si₃N₄ و فیلمهای چند لایه ای CrN/Si₃N₄ همراه با دوره های مدوله سازی متفاوت با استفاده از سیستم فلزپوشی مگنترون فرکانس- رادیویی (r.f) مهیا شدند، که در مبحث دیگری تشریح گردیده اند. هدف های فلزپوشی در این مبحث شامل سیلیکون تک کریستال سه اینچی (۹۹٫۹۹۹۹۹۹۹%) و فلز خالص Cr (99.99%) بوده اند. ویفرهای (Si (1 0 0 بور- دوپه که بعنوان زیر لایه / سوبسترا  استفاده شد در ابتدا به صورت فراصوتی در استون تمیز شدند و سپس در محلول HF2% برای مدت ۱ دقیقه و آب خالص برای ۱۰دقیقه غوطه ور شدند. پس از خشک شدن با گاز خشک، بر روی نگهدارنده نمونه نصب شده به داخل اتاق فلزپاشی انتقال گردید. در این اتاق عمل پمپ شدن بصورت روتینی اعمال شد تا آن که میزان فشار پایه     ۵٫۰*۱۰^-۸Pa حاصل شود. گازهای آرگون دارای خلوص بالا و نیتروژن نیز سپس از کنترلر های جریان – انبوه به داخل اتاق تزریق گردید. فشار کاری برای آرگون ۲٫۱*۱۰^-۱pa و برای جریان گاز آرگون و نیتروژن ۴ و ۲ sccm در نظر گرفته شد. چند لایه ها از طریق باز کردن متناوب شاترهای هدف Si و Cr ته نشست شدند تا آنکه زیر لایه مربوطه، از هدف Cr یا Si، در معرض پلاسما قرار گیرد. …

۲-۲٫ توصیف فیلمها

ساختار کریستالی فیلمهای تک لایه و فیلمهای چند لایه با استفاده از پراش سنج اشعه ایکس RAD-C و با بهره گیری از تابش Cu Ka حاصل آمد که در kV40 و mA 35 عمل می نمودند. زاویه تلاقی براگ  ۱^۰ و سرعت پویش ۰٫۵^۰/min در دقیقه مشخص شد.

اسپکترواسکپی الکترون آگر (Auger ) (AES) جهت تشخیص ترکیب و نیمرخ عمق فیلمها مورد استفاده قرار گرفت. نمونه ها با استفاده از میکروپروب الکترون پویشی آگر PHI-680 ، همراه با انرژی پرتو الکترونی keV 3 با یک جریان کاوشی nA 5 و قطر تقریبی  مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. نمونه پس از آن با استفاده از اشعه یونی ۱ KeV Ar⁺ تحت فرایند فلزپاشی یونی قرار گرفت که لایه تقریبی آن حول و حوش ۲×۲ میلی متر مشخص گردید.

فیلم چند لایه نانو ساختار CrN/Si3N4

۳- نتایج و مباحث تجربی

۱-۳٫ ترکیب و ساختار فیلم های یکپارچه

بر حسب آزمایشات قبلی ما، به هنگامی که جریان گاز Ar/N₂ به نسبت ۲:۱ باشد، قابلیت عنصر سنجی فیلم های سیلیکون نیترید وجود خواهد داشت. فیلم ها یا لایه های Si₃N₄ به صورت بی‌ریخت می باشند. به منظور تولید چند لایه های Si₃N₄/ CrNهمراه با لایه های عنصر سنجی سیلیکون نیترید، جریان های آرگون و نیتروژن همراه با کنترلرهای جریان- انبوه به نسبت ۲:۱ نگه داشته می‌شوند. شکل ۱ نشان دهنده طیف انکسار پرتو ایکس فیلم های CrN تک لایه همراه با N₂ و Ar – جریان های گاز ۲ و ۴ sccm – بترتیب می باشند. فاز CrN (ساختار NaCl  B1 ) مشاهده شده است و ثابت شبکه به میزان ۰٫۴۱۹۲ نانومتر تعیین گردید که بزرگتر از مقدار  ۰٫۴۱۴ نانومتر می‌باشد و در مبحث CrN مشخص شده است.

۲-۳٫ ساختار و توپوگرافی/ نقشه برداری چند لایه ها

طیف XRD چند لایه های CrN/Si₃N₄ با دوره های مدوله سازی از صفر (فیلمهای ترکیبی) تا ۴۰ نانومتر در شکل  ۳نشان داده شده است. این لایه‌ها به طور الزامی، برای فیلمهای ترکیبی و برای چند لایه ها دارای دوره های مدوله سازی کوچک، به صورت بی ریخت می‌باشند. با توجه به دوره‌های مدوله سازی بزرگتر، این چند لایه ها به صورت نانو بلورین خواهند بود. بررسی ساختار فیلمهای تک لایه  CrN و Si₃N₄ نشان دهنده فیلمهای CrN بصورت مکعب مراکز وجوه پر          و Si₃N₄ بی ریخت می باشد. رشد بلور CrN بواسطه فیلمهای Si₃N₄ بی ریخت در دوره های مدوله سازی کوچکتر متوقف گردیده و منجر به فیلمهای بی ریخت یا فیلمهای CrN نانو بلورین می شود. با توجه به افزایش دوره های مدوله سازی، فاز fcc CrN همراه با بافت (۲ ۰ ۰) را می توان مشاهده نمود.

۳-۳٫ ریز سختی چند لایه ها

شکل ۸ الف و ب نشان دهنده ضرایب سختی و کشسانی چند لایه ها به عنوان تابع دوره مدوله سازی می باشد. مقادیر سختی چند لایه ها بین اجزای سازنده فیلم های یکپارچه CrN و Si₃N₄ قرار می گیرند. این کامپوزیت ها دارای کمترین مقدار سختی می باشند، که مساوی با سختی فیلم‌های تک لایه CrN خواهد بود. با توجه به افزایش دوره های مدوله سازی، سختی نیز افزایش خواهد یافت. مقادیر سختی تقریبا به صورت ثابتی در دوره مدوله سازی بزرگتر از ۴٫۰ نانومتر می‌باشد، اما هرگز به مقدار سختی لایه های یکپارچه Si₃N₄ نخواهد رسید. مقادیر سختی چند لایه‌ها با توجه به دوره های مدوله سازی بزرگتر از ۴٫۰ نانومتر به میزان اندکی بیش از مقادیر سختی محاسبه شده از قاعده ترکیبی خواهند بود، حتی در صورتی که تاثیر فوق سختی همانند تاثیری که در سیستم های دیگر مشاهده می شود در اینجا حضور نداشته باشد. ضرایب کشسانی به عنوان تابع دوره مدوله سازی مشخص کننده میزان سختی خواهد بود (نشان داده شده در شکل ۸ب).

فیلم چند لایه نانو ساختار CrN/Si3N4

۴- نتیجه گیری

عملیات نهشت یا ته نشست سازی فیلم های چند لایه نانو ساختار CrN/Si₃N₄ با استفاده از سیستم فلزپوشی مگنترون  راکتیو فرکانس- رادیویی (r.f) انجام گردید. لایه های CrN و Si₃N₄ به ترتیب به صورت fcc چند بلورین و ساختارهای بی ریخت می باشند. لایه های CrN  و Si₃N₄ در این چند لایه‌ها تقریبا به صورت پارامترهای عنصر سنجی در نظر هستند. سطوح مشترک بین لایه های CrN و Si₃N₄ به واسطه آنکه آنها تشکیل دهنده یک فاز میان وجهی را نمی دهند بسیار تیز هستند. توپوگرافی سطح نشان دهنده چند لایه های CrN/Si₃N₄ می باشد که بسیار صاف تر  از اجزای سازنده تک لایه فیلم های CrN و Si₃N₄ در دوره های مدوله سازی کوچک خواهند بود. این گونه تصور میشود که وقفه رشد دانه ستونی ازطریق جایگزینی نهشت بلور CrN و Si₃N₄ بی ریخت منجر به صافی و همواری قابل توجهی می گردد. نتایج سختی معرف آن هستند که مقادیر سختی چند لایه ها در دوره های مدوله سازی مختلف بین موارد تشکیل دهنده فیلم های یکپارچه CrN و Si₃N₄  قرار می‌گیرند. این موضوع پیشنهاد می شود که بواسطه آنکه هیچ گونه تفاوت ضرایب کشسانی و هیچ گونه میدان های تنش جایگزین در سطوح مشترک بین فیلم های CrN و Si₃N₄ وجود ندارد، تاثیر فوق سختی در این سیستم پدیدار نخواهد شد.