برگشتن به شیمی

توضیحات محصول

دانلود پایان نامه : ITO

106ص

 

فصل اول

1-1- معرفی ITO و ویژگی های آن

1-1-1- خواص عمومی و ساختار فیزیکی

1-1-2- خواص الکتریکی

1-1-3- تحرک حامل های آزاد؛ مکانیزم پراکندگی

1-1-4- ویژگی های اپتیکی

1-1-5- ثابتهای اپتیکی

1-1-6- ساختار باند

1-2- روشهای لایه نشانی ITO

1-2-1- تبخیر حرارتی

1-2-2- لایه گذاری به روش بخار شیمیایی

1-2-3- افشانه گرما کافت (Spry pyrolysis)

1-2-4- چاپ صفحه ای (screen printing)

1-2-5- لایه گذاری توسط باریکه الکترونی (e – beam)

1-2-6- لایه گذاری به روش بخار شیمیایی

1-3- تماس نیمه هادی ITO

1-3-1- تحلیل دیاگرام باند انرژی تماس MS

مقدمه:

در فصل اول قبل از هرچیز لازم است که ITO و ویژگی های آن معرفی شود. بنابراین در ابتدای این فصل ITO معرفی شده و خواص و ویژگی های آن مورد بررسی قرار گرفته است. در این بخش خواص فیزیکی، الکتریکی و اپتیکی لایه های نازک ITO بطور کامل آورده شده است.

در بخش دوم این فصل روشهای لایه نشانی متداول برای لایه نشانی ITO آورده شده است و سعی شده تا حد امکان توضیحاتی برای هر کدام از روشها داده شود.

روش لایه نشانی مورد استفاده در این پروژه یعنی کندوپاش[1] بطور کامل در فصل چهارم توضیح داده شده است. در بررسی روشهای لایه نشانی سعی شده است که مزایا و محدودیتهای هر کدام توضیح داده شود.

در قسمت پایانی این فصل نیز به بررسی تماس نیمه هادی به ITO پرداخته شده و با استفاده از تحلیل دیاگرام باند انرژی تماس MS[2] ویژگی های ماس ITO به نیمه هادی تحلیل شده است.

 

1-1- معرفی ITO و ویژگی های آن:

In2O3:Sn که اینیدم قلع اکسید یا به اختصار (ITO) نامیده می شود، یک نیمه هادی دژنره نوع n است. این ماده که یکی از معروفترین اکسیدهای رسانای شفاف (TCO) است دارای گپ پهن و باند ممنوعه اپتیکی مستقیم است.

اصلی ترین ویژگی ITO، رسانایی آن در عین شفافیت آن است. ITO نور مرئی را از خود عبور می دهد اما در مقابل نور مادون قرمز از خود خاصیت بازتابی نشان می دهد. همین ویژگی است که ITO را به عنوان یک اکسید رسانای شفاف برای کاربرهای گوناگون الکترونیکی مناسب می سازد.

گرچه رسانایی در عین شفافیت ویژگی اصلی ITO به شمار می رود اما ویژگی های مهم دیگری نز وجود دارند که ITO را تبدیل به یک ماده خاص می کند. این ویژگی ها عبارتند از: مقاومت ورقه ای کم، لایه گذاری آسان، استحکام حرارتی بدون تغییر در مقاومت ورقه ای، ایستادگی شیمیایی و …

ITO را معمولاً به صورت فیلم های نازک بکار می برند اما ضخامت فیلم در ویژگی های آن تاثیر دارد، افزایش ضخامت باعث می شود رسانایی پوشش افزایش یافته و در عین حال شفافیت و انعطاف پذیری پوشش کاهش یابد. ویژگی های مهم و منحصر به فرد ITO باعث شده است روشهای گوناگونی برای تهیه فیلم های این ماده ایجاد شود. اکنون می دانیم ویژگی های اپتیکی و الکتریکی فیلم ITO در هر فرایندی بطور قوی وابسته به پارامترهای لایه گذاری هستند.

 

1-1-1- خواص عمومی و ساختار فیزیکی ITO:

رنگ ITO در حالت پودری، زرد کمرنگ تا زرد متمایل به سبز است. حالت فیزیکی آن در دمای اتاق جامد است. دمای ذوب ITO نیز بین 1800 تا 2200 درجه کلوین گزارش شده است.

پارامتر شبکه 10.18 Ao است و دانسیته آن از دید نظری  گزارش شده است.

ایندیم تین اکسید بطور کلی بوسیله جایگزینی ناخالصی Sn در In2O3 شکل می گیرد. به اینصورت که  Sn جایگزین اتمهای In+3 در ساختار (Cubic bixbyte) از انیدیم اکسید می شود. اما خود ایندیم اکسید یک ماده سرامیکی شفاف است که هنگامیکه با قلع (معمولاً در حدود 10%) ناخالص شود، رسانا شده اما شفاف باقی می ماند. ایندیم اکسید نیمه هادی است و بطور خاص رسانا نیست و این به خاطر آن است که فاقد هیچگونه الکترون آزاد است. برای ایجاد الکترون آزاد باید ماده مورد نظر را با یک عنصر مشابه که دارای یک یا بیشتر الکترون آزاد است ناخالص کنیم. در مورد ایندیم اکسید، ما قلع اضافه می کنیم. در غلظتهای پایین قلع به سادگی در ساختار ایندیم اکسید گنجانده می شود و الکترونهای مورد نیاز را اضافه می کند. [شکل (1) و شکل (2)]

ویژگی های منحصر بفرد ITO از ساختار و ترکیب آن ناشی می شود. ایندیم اکسید ساختار مکعبی bixbyte دارد که در شکل (3) نشان داده شده است. یک سلول واحد شامل 16 واحد In2O3 است.

دو نوع مکان غیرهمسان برای ایندیم در ساختار بلوری In2O3 وجود دارد که در شکل 2-2 دیده می شود. در شکل (a – 4) جدایی بین اتمهای اکسیژن و ایندیم 2.18Ao است و اتمهای اکسیژن در گوشه های مکعب جای گرفته اند. به اینصورت که دو گوشه ای که بطور مورب حجمی در مقابل یکدیگر قرار گرفته اند اشغال نشده اند. در شکل (b – 4) جدایی In-O ، 2.13، 2.19 و 2.23Ao است. در حالیکه اتمهای اکسیژن مکانهای گوشه مکعب را اشغال کرده اند. بطوریکه دو گوشه ای که بطور سطحی در  جهت مورب در مقابل یکدیگر قرار گرفته اند اشغال نشده است.

بنابر توضیحات بالا هر دو مکان ایندیم می توانند بصورت یک ساختار کامل نشده معکبی مرکز حجمی (bidy center cubic) با اتمهای ایندیم در مرکز و اتمهای اکسیژن در گوشه دیده شوند. یکی از چهار آنیون گم شده است. برای تغییر در خواص ماده In2O3 را می توانیم به طور غیرذاتی با قلع ناخالص کنیم. هنگامیکه اتمهای قلع جایگزین اتمهای ایندیم می شوند، هم SnO و هم SnO2 تشکیل  می شود. ماده ساختار bixbyte خودش را حفظ می کند. به عنوان یک ساختار پلی کریستالی سایز دانه های کریستال ITO به پارامترهای گوناگون فرایند نظیر دمای زیرلایه و سرعت لایه نشانی بستگی دارند.

Sn یک باند درون شبکه ای با اکسیژن شکل می دهد و به ترتیب بر طبق اینکه Sn دارای ظرفیتهای +2 و +4 است، هر دوی SnO و SnO2 را بوجود می آورد. این حالت ظرفیت یک اثر مستقیم روی رسانایی نهایی ITO دارد. حالت پایین تر ظرفیت یک کاهش خالص در غلظت حاملها نتیجه می دهد. در این حالت یک حفره ایجاد می شود که به عنوان تله عمل می کند و رسانایی را کاهش می دهد. به بیان دیگر برتری حالت SnO2 از آنجاست که Sn+4 بعنوان دهنده نوع n در باند رسانش تولید الکترون می کند و در نتیجه رسانایی ماده را افزایش می دهد.

البته باید دانست که یک حد بالایی برای میزان قلعی که می توان اضافه کرد وجود دارد، اضافه کردن بیش از این مقدار تحرک (mobility) الکترونهای اضافه شده را کاهش می دهد.د سطح بهینه برای جایگزینی قلع به جای ایندیم حدود 5 تا 10% است.

 

 

1-1-2- خواص الکتریکی لایه های ITO:

ویژگی های الکتریکی لایه های نازک ITO را می توان با چگالی حامل های آزاد ne؛ تحرک حاملها μ و رسانایی الکتریکی σ یا مقاومت ویژه ρe لایه مشخص کرد. روابط این کمیتها در زیر داده شده است:

(1-1)

(1-2)

که در آن e بار الکترون است. به منظور بدست آوردن لایه هایی با رسانایی بالا، غلظت بالای حاملها و تحرک همزمان با هم باید مورد بررسی قرار گیرند.

در فیلم های ITO، حاملهای آزاد از دو مکانیزم مختلف می آیند. جایگزینی اتم های چهار ظرفیتی قلع و جاهای خالی اکسیژن دو ظرفیتی.

قلع به عنوان یک ناخالصی کاتیونی و جایگزین ایندیم در In2O3 نقش ایفاء می کند. در In2O3 از آنجائیکه ایندیم دارای ظرفیت 3 است، ناخالصی قلع با مهیا کردن یک الکترون در باند رسانش یک ماده نوع n را نتیجه میدهد. دانسیته حاملهای آزاد با غلظت ناخالصی های Sn بصورت شکل (5) تغییر می کند.

از دیدگاه نظری در فیلم های ITO حداکثر دانسیته حاملها (Ne) ناشی از ناخالصی Sn بصورت Ne=NIn C است که در آن  غلظت اتمهای ایندیم است. اما بطور تجربی غلظت حاملها آنگونه که انتظار داریم افزایش نمی یابد.

همانطور که از شکل (5) می توان دید فقط در غلظتهای خیلی پایین (C < 4%) Sn دانسیته حاملهای آزاد از یک خط راست پیروی می کند که نشان می دهد هر اتم جایگزین Sn به عنوان یک دهنده عمل می کند که یک الکترون آزاد را به شبکه می دهد. در محتوای بالاتر  Sn چگالی الکترونهای آزاد تا ماکزیمم در 10% ناخالصی Sn افزایش می یابد و سپس با پیروی از تابع  با افزایش در C شروع به کاهش می کند. این می رساند که در مقادیر بالاتر ناخالصی یک بخش از قلع غیرفعال می شود زیرا در محتوای بالاتر قلع احتمال بیشتری برای اشغال جاهای خالی آنیونی وجود دارد، که منجر به شکل گیری نقص طبیعی (Sn2O4) می شود.

.

.

فصل سوم

3-1 عملیات قبل از لایه نشانی

3-1-1- استفاده از محلول (RCA)

3-1-2- استفاده از حمام اولتراسونیک

3-1-3-  گرما دهی به زیر لایه

3-2 عملیات لایه نشانی

3-2-1- کندوپاش

3-2-2- اساس مکانیزم کندوپاش

3-2-3- dc کندوپاش

3-2-4- rf کندوپاش

3-2-5- مگنترون کندوپاش

3-2-6- کندوپاش واکنشی

3-2-7- مزیت های فرایند کندوپاش

3-2-8- سیستم لایه نشانی مورد استفاده در این پروژه

3-2-9- تاثیر فاصله بین هدف و زیرلایه بر خواص فیلم ITO

3-2-10- تاثیر فشار جزئی اکسیژن روی ویژگی های فیلم ITO

– عملیات پس از لایه نشانی

– فرایند پس گرمایش

 

مقدمه

در این فصل به بررسی مراحلی که طی آن نمونه های آماده می شوند پرداخته شده است. در ابتدا عملیات قبل از لایه نشانی که شامل تمییز کردن سطح نمونه ها و نیز حرارت دادن به زیر لایه ها است توضیح داده شده. سپس عملیات لایه نشانی مورد بررسی قرار گرفته است.

در این فصل اساس مکانیزم کندوپاش و نیز انواع آن توضیح داده شده است. در بررسی انواع کندوپاش به توضیح کندوپاش dc و rf و نیز کندوپاش واکنشی و مگنترون کندوپاش پرداخته شده است. در ادامه نیز تاثیر پارامترهای مختلف کندوپاش بر ویژگی های فیلم ITO تولیدی با این روش توضیح داده شده است.

همچنین چگونگی لایه نشانی در این پروژه و روش کار و نیز توضیحاتی مربوط به سیستم کندوپاش مورد استفاده در این پروژه به تفضیل آورده شده است.

در بخش پایانی این فصل نیز عملیات پس از لایه نشانی شامل پس گرمایش[1] بررسی شده است.

در بخش مربوط به پس گرماش، روش گرمادهی و نیز توضیحات مربوط به سیستم گرمادهی مورد استفاده در این پروژه بطور کامل آورده شده است.

 

3-1- آماده سازی نمونه ها (عملیات قبل از لایه نشانی):

قبل از شروع لایه نشانی باید زیر لایه های آماده و تمییز شوند زیرا وجود هر گونه آلودگی در سطح زیر لایه می تواند نتیجه کار را کاملاً خراب کند. تمییز بودن سطح نمونه ها تاثیر بسیاری بر چسبندگی لایه ها دارد. کنده شدن لایه ها در مواقعی که به خوبی تمییز نشده اند بسیار دیده شده است.

روشهای پیشنهاد شده برای تمییز کردن نمونه ها قبل از عملیات لایه نشانی شامل دو مورد است:

1) استفاده از محلول RCA     2) حمام اولتراسونیک

که ما در زیر به شرح و بررسی هر دو مورد می پردازیم.

3-1-1- استفاده از محلول RCA:

برای تمیز کردن نمونه ها در این حالت از استون و محلول RCA نوع (1) (NH4OH : H2O2 : H2O) با نسبت (5 : 1 : 1) استفاده می شود.

نمونه ها به مدت 15 دقیقه در دمای oC 80 در این محلول قرار داده می شوند. این محلول برای پاک کردن چربیها، هیدروکربنها و فلزات کاربرد دارد. هنگام خارج کردن نمونه ها از محلول باید دقت کرد که ابتدا ظرف محتوی نمونه ها زیر جراین آب DI قرار گیرد و برای مدتی آب از ظرف سرریز کند. در غیر اینصورت ذرات آلوده در محلول باقی می مانند و هنگام خارج کردن نمونه ها به آنها می چسبند. بنابراین نمونه ها با جریان شدید آب DI شسته می شوند و در نهایت با گاز نیتروژن خشک می شوند.

ویفرهای سیلیکان و پلی سیلیکان بکار رفته به عنوان زیرلایه براحیت و به سرعت با اکسیژن هوا ترکیب می شوندو یک لایه عایق سطحی SiO2 روی آنها تشکیل می شود. (اگرچه اکسید شدن پلی سیلیکان در مقایسه با سیلیکان خیلی کمتر است).

فرآیند RCA هم که در مقابل حرارت انجام می شود. اکسید شدن این نمونه ها را تسریع می کند. وجود این لایه اکسید عملاً یک سطح عایق را روی نمونه بوجود می آورد که مانع از ایجاد یک اتصال اهمیک است. برای برداشتن این لایه عایق نمونه را برای مدت چند ثانیه در داخل  محول HF 10% قرار می دهیم و بعد بلافاصله آن راخشک می کنیم؛ البته فرایند خشک کردن نیز با گاز نیتروژن صورت می گیرد. بعد از این عملیات باید بلافاصله نمونه ها را داخل محفظه قرار داده و دستگاه را به خلاء ببریم.

 

3-1-2- حمام اولتراسونیک:

روش دیگری که برای تمییز کردن سطح زیر لایه بکار می رود استفاده از حمام اولتراسونیک است. در این روش نمونه ها را داخل ظرفی که حاوی متانول است قرار می دهیم و ظرف را داخل حمام قرار داده و دمایی در حدود oC 35 را برای آن تنظیم می کنیم.

در محفظه حمام امواجی در آب ایجاد می شود که نمونه ها را داخل ظرف متانول به حرکت کوچکی وامی دارد. این حرکت کمک می کند که برخورد نمونه با ذرات متانول بیشتر شده و سطح بهتر تمیز شود. ظرف متانول را حدود 15 الی 20 دقیقه داخل حمام نگه می داریم و سپس آن را خارج می کنیم.

نمونه ها را از متانول خارج کرده و با آب DI شستشو می دهیم. سپس با نیتروژن خشک می کنمی. در این حالت نیز مانند روش RCA بعد از شستشو و خشک کردن نمونه ها نیاز است نمونه ها را داخل محلول HF 10% به مدت چند ثانیه قرار دهیم تا لایه عمیق اکسید سیلیکان از بین برود.

گرچه استفاده از محلول RCA روشی است که عموماً بکار برده شده است و روش معروفتری است اما در برخی گزارشات و نوشته ها دیده شده است که از روش حمام اولتراسونیک استفاده شده است.

ما نیز برای آماده سازی نمونه ها و تمیز کردن سطح آنها از این روش استفاده کردیم. زیرا براحتی با تماشای سطح نمونه زیر میکروسکوپ می توان دید که سطح نمونه هایی که در متانول قرار گرفته اند بسیار تمیزتر از نمونه هایی است که با استفاده از محلول RCA تمیز شده اند.

 

 

3-1-3- گرمادهی به زیر لایه:

گرمادهی به زیر لایه یکی از فرایندهایی است که در برخی از گزارشات و نوشته ها به آن اشاره شده است. بدین صورت که نمونه ها را قبل از شروع عملیات لایه نشانی تا یک دمای معین گرم می کنند. فیلم های تهیه شده با روش کندوپاش (DC یا rf) (sputtering) اغلب نیازمند گرمایش زیر لایه با یک دمای بالا هستند گرچه می توان به جای این کار از یک فرایند پس گرمایش نیز استفاده کرد که در فصلهای بعد به آن خواهیم پرداخت.

البته فرایندهای دمای بالا برای  تهیه فیلم ITO در بعضی کاربردها نامناسب است. برای نمونه زیر لایه های پوشیده شده از فیلترهای رنگی آلی در صفحه های نمایشگر تخت، OLEDهای ساخته شده با پلی استر، PET و سایر تراشه های پلاستیکی، سازگار با فرایند پلاسماای دمای بالا نیستند. اما اهمیت این گرما دهی در این است که در تکنولوژی لایه های نازک هنگامیکه لایه گذاری همراه با حرارت دادن زیر لایه انجام شود مشاهده شده است که اندازه دانه ها (grain size) و ضخامت فیلم افزایش می یابد که این منجر به کریستالیزه شدن فیلم می گردد. اما اگر لایه گذاری فیلم نازک ITO در دمای اتاق انجام شود چنین افزایشی در سایز دانه ها (grain size) و ضخامت فیلم مورد انتظار نخواهد بود.

بنابراین از آنجائیکه در حالت لایه گذاری در دمای اتاق کریستالیزه شدن فیلم رخ نمی دهد برای فیلم های ضخیم تر یک کاهش در غلظت بارهای آزاد و نگه داشته شدن تحرک بارها در یک مقدار کم مورد انتظار است.

همچنین فیلم ها را با استفاده از روش کندوپاش dc یا rf در دمای اتاق و در حالیکه فشار کلی گاز نسبتا پایین بوده است لایه نشانی کرده اند. بررسی ریز ساختار فیلم های ITO لایه نشانی شده در دمای اتاق نشان می دهد که فیلم از دولایه تشکیل شده است یعنی یک لایه پلی کریستالی در بالا و یک لایه آمورف در زیر.

دمای زیرلایه همچنین روی ریز ساختار و جهت گیری فیلم های ITO تاثیر  می گذارد. بسیاری از نویسنده ها مشاهده کرده اند که جهت غالب از (222) با افزایش دما به جهت (400) تغییر کرده است. برخی دیگر از نویسندگان مشاهده کرده اند که نقایص شبکه با افزایش دمای زیر لایه (Ts) کم شده اند و فیلم چگال تر شده است. مرز دانه ها در طول سطح نمونه با افزایش دمای زیر لایه افزایش یافته اند.

دمای زیر لایه علاوه بر موارد بالا بر سرعت لایه نشانی نیز تاثیر گذار است. البته این مورد فقط در مورد هدف های آلیاژی مشاهده شده است. سرعت لایه نشانی همزمان با Ts شروع به افزایش می کند  هنگامیکه دما بالاتر از oC 200 باشد.

گرم کردن زیر لایه منجر به گرم شدن گازها و سطح هدف (target) زیر لایه منجر به گرم شدن گازها و سطح هدف (target) می شود. از آنجاییکه ایندیوم دارای یک دمای ذوب خیلی پایین است، یک افزایش کوچک در دمای سطح هدف منجر به افزایش آشکار در انرژی فعالیت اتمهای ایندیوم موجود در سطح هدف و بنابراین افزایش کندوپاش می شود.

 

3-2- عملیات لایه نشانی

3-2-1- کندوپاش (sputtering):

مکانیزم کندوپاش از سال 1852 شناخته شد و برای لایه نشانی فیلم های نازک بکار گرفته شد. روش کندوپاش یکی از گسترده ترین تکنیکهایی است که برای لایه نشانی فیلم های نازک ITO بکار می رود. فیلم های ITO کندوپاش شده با استفاده از هر دو منبع نیروی dc و rf و هدفهای اکسیدی (In2O3 – SnO2) یا هدفهای فلزی آلیاژی (In – Sn) در مخلوط گازی (Ar – O2) قابل لایه نشانی هستند.

روشهای لایه نشانی کندوپاشی بطور کلی و عام، شامل یک هدف هستند؛ تولید و حفظ یک پلاسمای مطلوب و ایجاد یک بایاس یا میدان الکتریکی برای شتاب دادن یونها به سمت الکترود یا هدف (target).

 

3-2-2- اساس مکانیزم کندوپاش:

همانطور که در شکل (3-1) نشان داده شده است هنگامیکه یک یون به سطح یک جامد (هدف) می رسد یک یا همه پدیده های زیر ممکن است اتفاق افتد:

1) یون ممکن است بازتاب شود و احتمالاً در فرآیند خنثی می شود.

2) با شدت برخورد کردن یون (فشار برخورد یون) ممکن است منجر به خروج یک الکترون از هدف شود که معمولا الکترون ثانویه (فرعی) نامیده می شود.

3) فشار اصابت یون همچنین ممکن است با یک بازترتیب مجدد در ساختار ماده هدف پاسخ داده شود.

4) فشار برخورد یون ممکن است یک سری از برخوردها را بین اتمهای هدف بوجود آورد که احتمالاً منجر به خروج یکی از این اتمها خواهد شد. این فرآیند خروج را کندوپاش (sputtering) می نامند.

هنگامیکه یک یون با انرژی بیشتر از ev 30 به سطح برخورد می کند، یک بخش کوچک از انرژی و اندازه حرکت یون فرودی به خاطر برخوردهای شبکه ، معکوس خواهد شد و ممکن است منجر به خروج اتمهای سطحی شود که این یعنی همان کندوپاش (Sputtering) .

اتمهای کندوپاش شده سطح هدف را با انرژیی نسبتاً بالا (~10ev) در مقایسه با اتمهای تبخیری (~1ev) ترک می کنند. متوسط تعداد اتمهایی که در هر برخورد یون از سطح هدف جدا می شوند بازده کندوپاش (sputtering yield) نامیده می شود.

منبع یونها معمولاً یک پلاسما (یعنی مخلوط خنثی الکتریکی از یونهای مثبت والکترونها) است که با فشردن الکترونها در یک گاز نجیب تحت یک فشار پایین تر از جو (بطور مثال pa 10-2) ایجاد می شود.

یونها در یک میدان الکتریکی که ناشی از یک پتانسیل منفی نسبت به پتانسیل پلاسما است به سمت یک الکترود غوطه ور در پلاسما شتاب داده می شوند.

.

.

.

جهت دریافت و خرید متن کامل پایان نامه و تحقیق و مقاله مربوطه بر روی گزینه پرداخت مستقیم که در بالای صفحه قرار دارد کلیک نمایید و پس از وارد کردن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت هایی عضو شتاب قابل پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت انلاین به صورت خودکار لینک دانلود مربوطه فعال گردیده که قادر به دانلود فایل کامل ان می باشید.

دیدگاهها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین نفری باشید که دیدگاهی را ارسال می کنید برای “دانلود پایان نامه : ITO”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *