در فشارهای خیلی پایین در درون یک Reactor با حرارت بسیار مختصر فلز بخار میشود و اتم های فلز در Reactor شتاب میگیرند و چون بین آند و کاتد اختلاف پتانسیل وجود دارد (آند فلزی است که نقش پوشش را دارد و کاتد فلزی است که میخواهد پوشش داده شود)، اتم های یونیزه شده در اثر اخلاف پتانسیل شتاب میگیرند و به سطح می چسبند.
در روش پوشش دهی vacuum coating دو روش مشهور داریم. یکی روش PVD و دیگری روش CVD.
پوشش های ایجاد شده از این طریق بسیار مقاوم در برابر سایش و دماهای بالا میباشند.
در پایین با روش PVD آشنا میشویم:
در رسوب گذاری به روش تبخیر فیزیکی یا PVD، پوشش ها روی سطوح جامد از طریق چگالش عنصرها و ترکیب ها از فاز گازی تولید میشوند. تبخیر در خلاء عمومی ترین روش تهیه لایه های بسیار خالص و تحت شرایط نسبتا کنترل شده است. اصول این روش عموما بر اساس اثرهای کاملا فیزیکی پایه ریزی میشود، اما PVD ممکن است در بعضی موارد با واکنش های شیمیایی نیز همراه باشد. بعضی از این واکنش های شیمیایی عمدتا در فناوری انباشت لایه های خاص به کار می روند. رسوب گذاری به روش تبخیر فیزیکی شامل مراحل زیر است.
الف. تبدیل ماده تبخیری به حالت گازی از طریق تبخیر یا تصعید و یا کندوپاش کاتدی
ب. انتقال اتم ها (مولکول ها) از چشمه تبخیر به زیر لایه، در فشار کاهش یافته
ج. رسوب این ذره ها روی زیر لایه
د. بازآرایی پیوند اتم ها در سطح زیر لایه
در حالت کلی تر مکانیزم های اصلی در فرآیند رسوب گذاری فیزیکی بخار عبارتند از جداکردن اتم از سطح به طریق اشعه، باریکه الکترونی، حرارت و غیره و یا اینکه یونی به سطح برخورد کرده و سبب پرتاب اتم از ماده هدف می شود. در نگاه کلی روش رسوب گذاری فیزیکی بخار شامل چندین روش متفاوت است که دارای مکانیزم های نسبتا مشابهی است.
فرآیند های تبخیر
تبخیر با فیلامان حرارتی
فرایند رسوب گذاری فیزیکی بخار با بهره گیری از فیلامان حرارتی، امری ساده به نظر میرسد. به این صورت که با بخار نمودن ماده هدف و نشاندن آن بر روی زیر لایه، سبب ایجاد لایه نازک خواهد شد. از عواملی که سبب کنترل سرعت رسوب گذاری در این روش خواهند شد، دمای ذوب ماده هدف و فشار محفظه است. خوشبختانه این روش جز روش هایی است که با آن قادر خواهیم بود مواد زیادی را پوشش دهی نماییم.
تبخیر با اشعه الکترونی
تبخیر با اشعه الکترونی از جمله روش هایی است که جهت پوشش دهی مواد با نقطه ذوب بالا بکار میرود. بنابراین جهت پوشش دهی موادی چون Tin استفاده از اشعه الکترونی و لیزر نیز امکان پذیر خواهد بود. با این روش امکان رسوب گذاری فلزات، نیمه هادی ها و مواد عایق امکان پذیر میباشد. از جمله محدودیت های روش فیزیکی، نیاز به خلا است که فرایند تبخیر را امکان پذیر می سازد.
تبخیر با استفاده از انرژی لیزر یا PLD
رسوب گذاری فیزیکی بخار با بهره گیری از لیزر، جز روش های موثر در لایه نشانی به شمار میرود. زیرا در این روش، انرژی لیزرهای مورد استفاده به قدری بالا است که قادر خواهیم بود، مواد سختی چون سرامیک ها و مواد غیر فلزی از جمله TiNرا بر روی زیر لایه پوشش دهیم. همچنین به جهت دقت بالای این فرایند، از این روش برای پوشش دهی سرامیک هایی که ترکیبات استوکیومتری آنها مهم است، از جمله پیزوالکتریک ها و ابر رساناها استفاده شایانی میشود. بر اثر برخورد لیزر به ماده هدف، در حد واسط زیر لایه و ماده هدف، پلاسمای باریکی با نام Plumbe تشکیل میگردد که اندازه آن میتواند در سرعت پوشش دهی و ضخامت آن موثر باشد.
به هر حال روش PLD هم به تناسب خود دارای اشکالات و معایبی است که در زیر بیان میشود.
الف. وجود پدیده Splashing داخل لایه نازک ایجاد شده که به مثابه ریختن آب بر روی روغن داغ است و موجب پراکنده شدن مواد مذاب میشود.
ب. فضای تبخیر شده از ماده هدف، یعنی Plumbe، خیلی نازک است و این ضخامت کم، عدم یکنواختی در ضخامت لایه نازک حاصله را سبب میشود.
رسوب گذاری با بهره گیری از پرتو یونی یا IBAD
رسوب گذاری با بهره گیری از باریکه ی یونی جز روش های فیزیکی لایه نشانی است. در این روش از یک تفنگ یونی که انرژی هایی در حد کیلو الکترون ولت دارند، استفاده میشود. مکانیزم عمل به این صورت است که حین فرایند تبخیر، این انرژی به انرژی اتم های تبخیر شده که انرژی کمی دارند، در حد دهم الکترون ولت منتقل میشود و سبب میگردد که اتم های با انرژی بیشتری روی سطح زیر لایه بنشیند و موجب ایجاد لایه نازک با دانسیته بالا بشود. به بیان ساده تر بعد از بخار شدن ماده هدف، یون های آرگون که پر انرژی است، با این اتم ها برخورد نموده و سبب انتقال راحت تر اتم های بخار شده به سطح زیر لایه میشود و لایه نازک را ایجاد میکند. این روش بیشتر در لایه نشانی قطعات الکترونیکی مورد استفاده میگردد.
روش IBAD برای ایجاد پوشش های نیتریدی فلز، امکان زیادی را فراهم میکند. با ایجاد تغییر در پارامترهای رسوب دهی از جمله شار اتمی، انرژی یون، زاویه برخورد یون و دمای زیرلایه، بهبود قابل توجهی در سایش، خوردگی، مقاومت الکتریکی و خواص نوری آن فراهم میشود.
توسعه پوشش های سخت بر مبنای نیترید فلزات واسطه با استفاده از IBAD، موضوع تحقیقات گسترده ای است. این نیتریدها شامل TiN و CrN و VNو ZrN میباشد که دارای خواص شیمیایی و فیزیکی متفاوتی هستند. به طور مثال TiN در دمای بالای پانصد درجه سلسیوس به آرامی اکسیده شده و باعث ایجاد لایه اکسیدی روتیل غیر چسبنده و نامناسب تیتانیوم اکسید بر بالای TiN میشود. به این ترتیب مقاومت به سایش TiN افت میکند. CrN به دلیل تشکیل لایه اکسیدی متراکم و محافظ کروم اکسید که از اکسیداسیون بیشتر ممانعت میکند، دارای مقاومت بیشتری نسبت به TiN در مقابل اکسیداسیون است.
بدون دیدگاه