روش رسوب دهی فیزیکی بخار
مقدمه: مروری بر روش های رایج اصلاح سطحی
در یکی از روش های اصلاح حرارتی، نمونه تا محدوده فازی خاصی با شعله و یا سیم پیچ های مسی گرم شده و سپس برای تشکیل سطح سخت سرد می گردد. در نمونه ی دیگر که حرارت دهی نفوذی نام دارد، نمونه تا محدوده فازی دیگری در محیط غنی از نیتروژن یا اکسیژن گرم شده، سپس
یا
در ماده نفوذ می کند. در برخی از موارد برای افزایش مقاومت سطح به خوردگی از نفوذ کروم و آلمینیوم استفاده می کنند. در برخی از موارد نیز از روش گوالوانیز و گالوانیل استفاده می کنند. برای گالوانیزه کردن، قطعات در حمام روی ذوب شده غوطه ور می شوند و برای گالوانیل کردن، قطعات گالوانیزه شده تا دمای ۵۰۰ درجه برای تشکیل بین فلزی آهن-روی حرارت دهی می شود.روش های رایج پوشش دهی فلزی شامل آبکاری الکتریکی، الکترولس است. آبکار الکتریکی برای افزایش مقاومت سطح در برابر خوردگی و فرسایش استفاده می شود. ضخامت پوشش های تولید شده با این روش در محدوده ۱۰ تا ۵۰۰ میکرومتر است. معمولا از پوشش های روی و قلع برای افزایش کارایی، مس برای اتصال الکتریکی و نیکل مقاومت به خوردگی استفاده می شود. در آبکاری الکترولس، قطعه در حمامی حاوی نمک فلزی، عامل کاهنده و کاتالیست غوطه ور می شود. کاتالیست در حین پوشش دهی قطعه، یون فلزی را به اتم فلزی تبدیل می کند.
روش های رسوبی شامل روش رسوب دهی فیزیکی بخار و روش رسوب دهی شیمیایی بخار است. در ادامه روش رسوب دهی فیزیکی بخار به تفصیل توضیح داده خواهد شد.
۱- رسوب دهی فیزیکی بخار
رسوب فیزیکی بخار طیف وسیعی از روش های پوشش دهی در خلاء را شامل می شود که در آن مواد بصورت فیزیکی از یک منبع در محفظه خلاء تبخیر و یا کنده شده و روی سطح یک زیرلایه به صورت لایه نازک تراکم پیدا می کند.
مواد پوشش دهنده می توانند ترکیبات دی الکتریک، فلز، آلیاژ یا مخلوطی از آنها باشند و بسته به نوع فرآیند رسوب دهی، خواص متفاوتی مانند نوری، الکتریکی و مکانیکی مختلف داشته باشند. به عنوان مثال اکسید تیتانیوم نمونه ای از ترکیبات اکسید فلزی است که بسته به پارامترهای رسوب دهی می تواند لایه های نازک شفاف، هادی الکتریکی، واکنش پذیر شیمیایی، خنثی شیمیایی و یا نمایش دهنده جذب طیف انتخابی را تشکیل دهد. پارامترهای فرایند تعیین کننده ترکیب، حالت اکسیداسیون، ساختار کریستالی و دانسیته فشردگی لایه نازک است. پوشش دهی می تواند روی انواع زیرلایه ها مانند فلز، شیشه یا پلاستیک انجام شود. از پارامترهای تاثیرگذار می توان به نوع ماده رسوب کننده، ترکیب شیمیایی و مرفولوژی سطح زیرلایه، فرآیند آماده سازی سطح اشاره کرد.
۲-۱- رسوب دهی فیزیکی بخار: تبخیر حرارتی
در این روش فلز یا آلیاژ در محفظه خلاء با فشار تقریبا ۱۰ تور به شیوه های مختلف تبخیر شده و به سمت زیرلایه حرکت می کند و در انتها بر روی آن متراکم می گردد. از ویژگی های مثبت این روش می توان به سرعت پوشش‌دهی بالای آن اشاره کرد. یکی از محدودیت های این روش عدم کاربرد آن برای مواد با نقطه ذوب بالا و همچنین سرامیک ها است. همچنین به دلیل استفاده از دمای پایین در مقایسه با سایر روش ها، انرژی جنبشی برای ایجاد چسبندگی مناسب بین زیرلایه و لایه نازک کافی نیست. در این روش ماده پوششی به روش های مختلفی مانند گرم کردن به روش مقاومتی، توسط پرتو الکترونی و یا گرم کردن قوسی و القایی افزایش دما پیدا می کند تا نهایتا تبخیر گردد (شکل۱). جدول ۱ برخی معایب و مزایای منابع تبخیر مختلف را ارائه می دهد.
الف ب
شکل۱: نمایی از دستگاه PVD تبخیری با استفاده از الف- مقاومت الکتریکی ب- پرتو الکترونی
جدول۱: معایب و مزایایی منابع مختلف حرارتی
۲-۱-۱- یکنواختی پوشش سطوح غیرمسطح
پوشش دهی سطوح غیرمسطح (step coverage) در روشی که از منبع تبخیری استفاده می کند به دلیل ماهیت جهت مند ماده تبخیر شده و پدیده سایه افکنی اتم ها، (همانطور که در شکل ۲ الف نشان داده شده است) ضعیف است. افزودن عامل گرمایش زیرلایه با افزایش نفوذ سطحی ماده و چرخش زیرلایه با به حداقل رساندن پدیده سایه زنی، تا حدودی باعث حل مشکل یکنواختی پوشش می شود. در هر حال در روش تبخیری نمی توان برای نسبت ابعادی بزرگ‌تر از یک (نسبت ارتفاع به پهنا یا قطر)، فیلم پیوسته ای را تشکیل داد (شکل ۲ ب و ج).
الف ب
ج
شکل ۲: الف نمایی از پدیده سایه افکنی اتم ها ب- نسبت ابعادی سطوح غیرمسطح و پوشش دهی آن ج- تحول زمانی پوشش دهی تبخیری سطح با نسبت ابعادی ۱ (a) با تحرک کم اتم ها (یعنی دمای کم زیرلایه) و بدون چرخش زیرلایه (b) با چرخش و گرمایش زیرلایه
۲-۲-۲- تئوری حاکم بر موقعیت بوته و زیرلایه در محفظه تبخیر
فشار بخار ماده هدف از معادله ۱ بدست می آید.
تنش سطحی مایع، N عدد آووگادرو و 
آنتالپی تبخیر (انرژی مورد نیاز برای تبدیل مایع به فاز گاز) است.
(۱) 
(۲)
دانسیته جرمی 
و A مساحت زیرلایه است.(۳)
شکل۳: هندسه رسوب دهی برای زیرلایه (الف) در موقعیت تصادفی (ب) در سطح کره 
۲-۲-۳- تئوری حاکم بر نرخ تبخیر
با فشار محفظه رابطه عکس دارد و با کاهش فشار، پویش آزاد بیشتر می گردد (معادله۴). در این حالت فرض می شود که مولکول یا اتم از یک روزنه در یک مسیر مستقیم و مجزا جریان می یابد و یا یک جریان آزاد مولکولی وجود خواهد داشت. بنابراین فاصله منبع تا زیرلایه باید کوچکتر از مسیر پویش آزاد اتم ها یا مولکولها باشد.
مقدار ذرات متفرق شده با برخورد با اتم ها و گازهای باقی مانده متناسب است با
.(۴)
همچنین مساحت سطح رسوب کرده بر اساس قانون سینوس متناسب است با 
بنابراین با توجه به اینکه ضخامت فیلم رسوب کرده متناسب است با 
نسبت ضخامت ها از رابطه زیر بدست می آید.
شکل۴: الف- نمایی از مساحت سطح فیلم رسوبی که متناسب است با فاصله ماده هدف و زیرلایه (d)، زاویه بین اتم های کنده شده و ماده هدف 
و زیرلایه
ب- نسبت ضخامت فیلم های ایجاد شده متناسب است با زاویه برخوردی
۲-۲- رسوب دهی فیزیکی بخار: کندوپاش
در این روش، اتم های سطح ماده هدف با برخورد یون های موجود در پلاسما کنده شده و به سمت زیرلایه حرکت می کنند. سپس با فرآیند تراکم، هسته زایی و رشد، لایه نازکی را روی سطح تشکیل می دهند (شکل۵). از مزایای این روش در مقایسه با روش تبخیری می توان به یکنواختی بهتر پوشش، آسیب تابشی کمتر از تبخیر با بیم الکترونی و سهولت رسوب آلیاژ اشاره کرد. از معایب این روش نیز می توان به آسیب های ناشی از پلاسما مانند کاشت آرگون اشاره نمود. جدول ۲ مقایسه کاملی از این روش ها را نشان می دهد.
شکل۵: نمایی از روش کندوپاش (گاز کندوپاش پس از ورود به محفظه، یونیزه شده و به ماده هدف برخورد می کند و موجب کنده شدن اتم ها از ماده هدف می شود. اتم های کنده شده به سمت زیرلایه رفته و لایه نشانی می شود.)
جدول۲: مقایسه روش تبخیری و کندوپاش از جنبه های مختلف
۳- مکانیسم رشد لایه نازک در PVD
در PVD، اتم های برخوردکننده به سطح در شرایط خلاء می توانند به سرعت منعکس شده، و یا بعد از زمان اقامت مجددا تبخیر شده و یا روی سطح متراکم شوند (شکل۷). تبخیر مجدد تابعی از انرژی پیوندی بین یک اتم و سطح، دمای سطح و شار اتم های متحرک است. به عنوان مثال، افزایش دمای سطح تا ۲۰۰ درجه منجر به تبخیر رسوب کادمیوم مجدد کادمیوم در حین تولید لایه نازک کادمیومی می شود.
در حقیقت اتم ها با از دست دادن انرژی روی سطح متراکم می شوند. آنها انرژی خود را به شیوه های زیر از دست می دهند:- ساختن و شکستن پیوندهای شیمیایی با اتم های زیرلایه
– یافتن مکان های هسته زایی ترجیحی (نقص شبکه، مراحل اتمی، ناخالصی)
– برخورد با سایر اتم های سطحی نفوذ کننده (گونه های یکسان)
– برخورد یا واکنش با گونه های سطحی جذب شده
به طور کلی، تشکیل لایه نازک روی زیرلایه طی دو مرحله کلی هسته و رشد ذرات اتفاق می افتد (شکل ۸ ب). وقتی سطح زیرلایه از جنس اتم های رسوب کننده باشد، فرآیند هسته‌زایی همگن و اگر از نوعی دیگری باشد، فرآیند ناهمگن صورت می پذیرد. همچنین بر طبق نوع برهمکنش اتم های رسوب کننده و زیرلایه سه نوع مکانیسم هسته زایی ممکن است اتفاق بیافتد.
۱٫ مکانیسم فرانک واندر منجر به رشد لایه به لایه می شود (رشد لایه ای).
۲٫ مکانیسم والمر وبر (رشد جزیر ای)
۳٫ مکانیسم استرانسکی کراستانو (رشد لایه‌ای + جزیره ای)
در جلسه رسوب شیمیایی بخار این مکانیسم ها توضیح داده شده است.
رشد لایه نازک نیز در طی سه مرحله صورت می پذیرد (شکل ۸ الف):
(۱) تجمع بخار روی زیرلایه و انتقال به مکان ترجیحی برای هسته زایی (بخش a)
(۲) اتصال جریان جدید از اتم های گازی به یک هسته در حال رشد و کاهش انرژی سطحی (ץ) (بخش b و c).
(۳) تشکیل فیلم، این مرحله به دمای زیرلایه و انرژی سیستم بستگی دارد (بخش d و e).
الف
ب
شکل۸: الف- مکانیسم رشد لایه نازک ب- مراحل تشکیل لایه نازک روی سطح زیرلایه
۴- نتیجه گیری
رسوب فیزیکی بخار که شامل روش های تبخیری و کندوپاش است، از رایج‌ترین رویکردها تولید لایه نازک بشمار می رود. هر یک از این روش ها از جنبه های مختلف، مزایا و معایبی دارند. از عمده ترین آنها می توان به بالا بودن نرخ تبخیر، خلوص بالای لایه نازک، آسیب سطحی کم و کم هزینه بودن تجهیزات در روش تبخیری و قابلیت کنترل ضخامت و خواص فیلم، ترکیب آلیاژ و چسبندگی عالی فیلم به زیرلایه اشاره کرد. مقدار فشار، دما، مشخصات زیرلایه، نوع منبع گرمایی از عوامل مهم و تاثیرگذار بر مشخصه لایه نازک ایجاد شده است.
منابـــع و مراجــــع
۱- J.Singh and D.E.Wolfe, Review article Nano and macro-structursed component fabrication by electron beam physical vapour deposition ( EB-PVD )
۲- K. Lukaszkowicz, Review of Nanocomposite Thin Films and Coatings Deposited by PVD and CVD Technology
۳- A. MOARREFZADEH, Simulation and Modeling of Physical Vapor Deposition (PVD) Process