مقاله بررسی پوشش های لایه نازک، کاربرد خواص مکانیکی و روشهای اندازه‌گیری
| دسته بندی | فنی و مهندسی |
| بازدید ها | 1 |
| فرمت فایل | doc |
| حجم فایل | 152 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 30 |
مقاله بررسی پوشش‌های لایه نازک، کاربرد خواص مکانیکی و روشهای اندازه‌گیری در 30 صفحه ورد قابل ویرایش
خواص مکانیکی لایه ها
ترکیب عمومی (طرح عمومی)
رفتار مکانیکی لایه ها از دو دیدگاه اصلی دارای اهمیت است. در اصل، مطالعه و فهمیدن چنین رفتارهایی میتواند منجر به درک بهتر ما از خواص تودة مواد شود. در عمل کار رضایت بخش بسیاری از قطعات لایه ای به شکل و ترتیب قرار گرفتن لایه های پایدار- که میتوانند در برابر تاثیرات محیط زیست تاب بیاورند- بستگی بحرانی دارد.
مانند خیلی از خواص دیگر لایه ها، خواص مکانیکی لایه ها هم به چند تایگی معمولی فاکتورهای وابسته در آماده سازی آنها بستگی دارد. به دلیل مشکلات تجربی و محدودیت های موجود در آزمایشها، اکثریت کار انجام شده روی خواص مکانیکی روی لایه های چند بلوری انجام گرفته و این به خاطر ساختار مختلط بیشتر لایه ها است. مطالعاتی دربارة برآراستی لایه ها انجام شده، اما طبیعت اندازه گیری دقیق، که مستلزم استخراج اطلاعات خواص مکانیکی است، و عدم قطعیت مشکلاتی را در این مطالعات ایجاد می‌کند.
بیشتر مطالعات انجام شده دربارة لایه های فلزی بوده اند و به مواد دی الکتریک که در قطعات الکتریکی و اپتیکی گوناگون اهمیت دارند نیز توجه شده است. اندازه گیری ها شامل فشار (تنش) و کرنش، خزش، رفتار قالب پذیری و نرمی، قدرت شکست و در پایین ترین سطح و کمترین حد شامل سختی میشوند. مدلهای تئوری گوناگونی پیشنهاد شده اند که اگرچه در این مرحله حتی در جزئیات با تجربه توافق دارند ولی آنها را در نظر نمی گیریم. با وجود این، یک اصول عمومی وجود دارند که به عنوان راهنما برای کارهای بعدی بکار گرفته میشوند.
وقتی لایه ها با تبخیر گرمایی، یا با تجربه بخار روی یک بستر گرمایی، شکل می گیرند، آنگاه اگر ضریب انبساط لایه ها و بستر گرمایی یکسان باشد وقتی سیستم تا دمای اتاق سرد می شود، یک فشار گرمایی ایجاد شده و پیشرفت می‌کند. این اثر- که در بسیاری از موارد اتفاق می افتد- خودش را به شکل جداسازی لایه ها از سطح به وضوح نشان میدهد. در حقیقت هنگامی که بستر گرمایی در دمای اتاق است، فشار گرمایی ذخیره شده در لایه های رسوبی رابا هیچ وسیله ای نمی توان آشکار کرد. دمایی که لایه ها در آن شکل می گیرند، از آنجایی که مفهوم بد تعریفی است، ممکن است با دمای بستر گرمایی تفاوت داشته باشد. مخصوصا وقتی که اتمهای چگالیده با یک سرعت بالای گرمایی وارد میشوند: اثر «دما»ی لایه های چگالیده به عاملهای تعادل که گرمای مادة چگال را کنترل می‌کنند بستگی دارد و این عاملها معمولاً به سختی قابل تشخیص هستند. قستمی از دمای سطح بستر گرمایی توسط تابشهای دریافت شده از منبع تعیین میشود و قسمتی از آن را گرمای نهانی که توسط لایه های چگالیده داده شده تعیین می‌کند. وقتی ضخامت لایه های فلزی افزایش پیدا می کند، کسر بزرگی از انرژی گرمایی که از بستر گرمایی تابش می کند ممکن است بازتابیده شود. بعلاوه وقتی ثابتهای اپتیکی لایه های بسیار نازک با ضخامت به سرعت (و اغلب با رفتاری بسیار پیچیده) تغییر می‌کنند این اثر به دشواری قابل تشخیص است. قبل از بحث کردن دربارة جزئیات این اثر، میپردازیم به روشهای تجربی ای که برای مطالعه خواص مکانیکی لایه های نازک به کار می روند.
2-5) تکنیک های تجربی
الف) اندازه گیری تنش و کرنش
اندازه گیری تنش (فشار) در لایه ها معمولاً با تکنیک باریکه- خمش انجام میشود. تکنیکی که در آن لایه ها روی یک باریکة مستطیلی نازک ته نشین شده و رسوب می‌کنند. در اندازه گیری انحرافهای کوچکی که در تداخل سنجی، ظرفیت و نظم و ترتیب الکترومکانیکی به کار گرفته شده رخ میدهد هر تغییری میتواند در روشها ایجاد شود. در بیشتر موارد حل عمومی برای خمش باریکة مرکب از دو ماده با خواص الاستیکی متفاوت، تا وقتی که ضخامت لایه در برابر ضخامت باریکه کم است، مورد نیاز نمی باشد.
اگر لایه ها به طور ثابتی مقید به بستر گرمایی باشند و اگر شارش نرم و قالب پذیری در سطح میانی به وجود نیاید آنگاه برای ضخامت باریکه (d) ، مدول یانگ (Y)، نسبت پواسون () و فشار (S) در ضخامت لایه (t) داریم:
(1-5)
وقتی که شعاع انحنای فشار باریکة اولیه، مستقیم فرض شود.
اندازه گیری مستقیم کرنش با متد بارگیری مستقیم علیرغم مشکلات زیادی که وابسته به زیاد شدن لایه ها است، بکار می رود. طرح یکی از سیستمهایی که استفاده میشود در شکل (1-5) نشان داده شده است (این طرح در اصل برای مطالعات تاره ها طراحی شده بود ولی بعدها برای کار لایه ها تعدیل شد).
-5) رفتارهای کشسان و قالب پذیری لایه ها
مطالعات رفتار تنش- کرنش لایه ها اغلب در آغاز بارگیری منجر به یک ارزش کم (مقدار کم) برای ضریب کشسانی میشود و بعد ادامه پیدا می کند با یک ارزش (مقدار) میانی در تخلیه ها و دوباره بارگیری بعدی. این کاملاً مشخص نیست که آیا رفتار آغازی با خزش و لغزش در روشهای استفاده شده برای نگهداری لایه ها رابطه دارد یا نه. نتایج بدست آمده از آزمایشهای پیشرفته رفتارهای مشابهی را نشان می دهد، اگرچه ضریب نخستین بارگیری نزدیک تر است به مقدار کپه ای از روشهای ماشین کششی. لایه های چند بلوری تشکیل شده توسط تبخیر گرمایی، به طور معمول ضریب کشسانی نزدیکتری به ضریب کشسانی تودة ماده دارند، به عبارت دیگر، ضریب کشسانی کم و پایین در لایه های رسوبی شیمیایی و همچنین در لایه های الکترولیتی مشاهده شده اند. در مورد لایه هایی که از طریق شیمیایی شکل گرفته اند، تفاوت در رفتارها احتمالا به دلیل وجود ناخالصی ها در لایه ها میباشد.
از هنگامی که رفتار خزش در لایه ها مشاهده گردیده است، این هنوز یک پرسش مطرح است. مدارکی هم از لایه های رسوب کردة شیمیایی و هم از لایه های طلای برآراستی وجود دارد که خزش در آنها اتفاق نمی افتد. در نقطه ای که لایه ها می شکنند به طور کامل رفتار الاستیکی و کشسان مشاهده میشود. دو دلیل برای ایجاد خزش در مشاهدات وجود دارد. یکی اینکه این خزش ناشی از نظم داخلی در لایه هاست و دیگر اینکه ناشی از لغزش لایه ها در نگهدارنده میباشد. اگرچه ممکن است بعضی از مشاهدات دلیل موجهی برای این راه ارائه کنند، با این حال به نظر می رسد که این بدیهی است که خزش خالص اتفاق می افتد در لایه های تبخیری در بیشتر راهها (روشها)یی که مشخص است که برای رولهای فلزی ورقه شده و نمونه های کپه ای دیگر اتفاق می افتد.
در فشار بالای کافی، جایگزیده شدن بی شکل و نرمی و قالب پذیری در لایه ها منجر به کاهش ضخامت لایه میشود و همچنین یک صعود نتیجه بخش در مرتبة تنش ایجاد می‌کند. ناجایگزیدگی هسته ای در مرزهای بلورهای داخلی، باعث سر خوردن و خزیدن سطوح میشود و حتی شکافهای میکروسکوپی در لایه ها ایجاد می‌کند. مرتبه فشاری که باعث ایجاد چنین اثری میشود در بسیاری از موارد خیلی بیشتر از انواع مشاهده شده در نمونه های توده ای تابکاری شده است و اغلب به طور عمده و قابل توجهی از مواد دریافت شده یا سردکاری شده بیشتر است.
شکست فشار به روشی بسیار ابتکاری توسط باریکه در سال 1959 اندازه گیری شده است. در این روش لایه ها روی یک چرخانة استوانه ای ته نشین میشوند. سرعت چرخانه آنقدر افزایش پیدا می‌کند تا اینکه لایه ها می شکنند. تکنیک برجسته ای که در بالا ذکر شد هنوز هم به کار گرفته میشود. این مشخص شده که در نقره و نیکل چند بلوری عموماً شکست کرنش به ضخامت بستگی دارد؛ ولی این بستگی به ضخامت در مس مشاهده نمیشود. برای لایه های طلا یک تناقض و ناسازگاری مشاهده می گردد: تعدادی از مشاهده گران (آزمایش کنندگان) وابستگی به ضخامت را مشاهده کرده اند در حالیکه عده ای دیگر به چنین وابستگی ای دست نیافته اند.
ما از راهی معمولی و ساده می توانیم دریابیم که چرا مقاومت لایه ها ممکن است نسبت به تودة مواد بیشتر باشد. شکست و رد وابستگی نمونه ها به انتشار ناجایگزینی و محدودیت ضخامت لایه ها به شدت این حرکت را مهار کرد (جلوی این روش نتیجه گیری را گرفت). به هر صورت، مدل نظری دقیقی که بتواند قسمت وسیعی از تغییرات نتایج را در بربگیرد وجود ندارد. در بعضی موارد لایه ها تقریباً در خلأ ناکافی تهیه و آماده میشوند و این باعث ایجاد اکسید روی سطح لایه میشود. در روشهای مشابهی که اطمینان وجود دارد که مقاومت رشته های یک فلز معین وابسته به اکسید سطح است این میتواند مقاومت بالای لایه ها را توجیه می‌کند. از مورد لایه های طلا این واضح و روشن میشود که فاکتورها و عوامل دیگری نیز روی مقاومت لایه ها تأثیر دارند: در وقتی که لایه های طلا هم مقاومت بالایی از خود نشان می دهند و هم سطح آنها فاقد اکسید است.
وقتی لایه ها روی بستری بی شکل و غیرمتبلور در فرودی عادی (نرمال) رسوب می‌کنند فشار همسانگرد است. توزیع ناهمسانگرد فشار در لایه هایی که شکل گیری آنها به صورت رسوب در حالت غیرعادی بوده است مشاهده میشود. با مطالعات و بررسی هایی که به وسیله میکروسکوپ های الکترونی انجام شده مشخص شده است که در ساختار چنین لایه هایی نامتقارنی مولکولی وجود دارد، بنابراین ایجاد فشار ناهمسانگرد غیرمنتظره نیست.
بررسی کنش و رفتار مکانیکی مواد:
لایه های نازک یکی از اجزاء لازمه ابزارهای الکترونیکی و صنایع پیشرفته می باشند. شناخت نحوه شکست این لایه ها، بویژه جدا شدن لایه ها نیازمند درک رفتار مکانیکی این لایه ها میباشد. علاوه بر لایه های نازک فلزی، هم اکنون انواع و اقسام لایه های نازک غیرفلزی در محصولات پیشرفته تجاری مورد استفاده قرار می گیرند. خواص مکانیکی لایه های نازک در طی سالهای اخیر به علت استفاده های فراوان از این مواد در مدارهای منسجم (میکروالکترونیک) و صفحه های مغناطیسی اهمیت فراوانی یافته است.
1- مدارهای منسجم میکروالکترونیکی:
در این بخش مشکلات لایه های نازک ناشی از تنشها و رفتارهای مکانیکی و همچنین ساختار مدارهای منسجم مانند ترانزیستورهای نیمه هادی فلز- اکسید (CMOS) بررسی خواهد شد.
مواد مزبور به شکل لایه نازک و با ضخامتی از چند نانومتر تا حدود یک میکرومتر هستند. لازم به ذکر است که انواع متنوعی از مواد با خواص مکانیکی، فیزیکی و گرمایی مختلف برای ساخت این ساختار مورد استفاده قرار گرفته اند. این مواد شامل نیمه هادیها (که بخش فعالی از وسیله هستند)، فلزات (که به عنوان هادی جریان برق از یک بخش به بخش دیگر سازه عمل می‌کنند)، دی اکسید سیلیکون پخته شده، شیشه های پاسیو و دیگر مواد دی الکتریک می باشند. مواد اخیر موجب می گردند که عایق الکتریکی از یک بخش به بخش دیگر ساختار منتقل شده و در برخی از مواقع محافظت مکانیکی از زیرکارها مانند مواد فعال الکتریکی را نیز به عهده دارند.
تک کریستالها، چند کریستالها و مواد آمورف نیز جزو این گروه می باشند. به عنوان مثال، پلی کریستال سیلیکون با ساختار معمولی در سیستم های ریز الکترومکانیکی مانند سنسورهای فشار و شتاب سنجها بکار می رود. بسیاری از این وسایل دارای عملکردهای مکانیکی بوده و بنابراین خواص مکانیکی آنها مورد توجه میباشد. از نقطه نظر مکانیکی، رفتار سیلیکونهای پلی کریستالی از دو جهت عمده با رفتار مکانیکی فلزات متفاوت است. پلی سیلیکونها بسیار تردتر و همچنین ثابت دی الکتریک پائین آنها هم اکنون از موضوعات مهم تحقیقات سازندگان چیپهای نیمه هادی میباشد. از آنجائیکه ساختار چند لایه و به هم متصل چیپهای پیشرفته مدارهای منسجم حاوی چند نوع از مواد مختلفی می باشد که تحت تنشهای گرمایی هستند، رفتار مکانیکی این لایه های ویژه دی الکتریک حائز اهمیت است.