رفتن به محتوای اصلی
گروه تحقیقاتی سان لب
۰۹۹۰۵۲۹۳۸۲۳ info@sun-lab.ir

روش رسوب دهی فیزیکی بخار

مقدمه: مروری بر روش های رایج اصلاح سطحی

     روش های زیادی برای اصلاح سطحی مواد وجود دارد. برخی از رویکردهای اصلی شامل پولیش کردن و پوشش‌دهی سطحی مواد است. از روش های رایج برای پوشش دهی مواد می توان به تبدیلی، حرارتی، فلزی و رسوبی اشاره کرد. در زیر به اختصار هر یک از این موارد توضیح داده خواهد شد.پوشش دهی تبدیلی اکسیداسیون مانند پوشش عموما برای افزایش سختی سطح صورت می گیرد. پوشش دهی فسفات نمونه ای دیگر از این روش است. برای این کار، نمونه در حمام فسفات روی و اسید فسفریک غوطه ور شده و پس از مدتی لایه کریستالی فسفات روی (معمولا به ضخامت ۲٫۵ میکرومتر) روی سطح رشد می کند. نمونه ی دیگر از پوشش دهی تبدیلی، پوشش کرومی است که معمولا برای پوشش دهی قوطی کنسرو به منظور جلوگیری از خوردگی مورد استفاده قرار می گیرد. در این مورد نیز نمونه در حمام اسید کرومیک در ۱٫۸ pH غوطه ور می گردد.
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، سپسfilereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d یاfilereader.php?p1=main_1679091c5a880faf6 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

filereader.php?p1=main_aab3238922bcc25a6filereader.php?p1=main_9bf31c7ff062936a9

شکل۱: نمایی از دستگاه PVD تبخیری با استفاده از الف- مقاومت الکتریکی ب- پرتو الکترونی

جدول۱: معایب و مزایایی منابع مختلف حرارتی

filereader.php?p1=main_c74d97b01eae257e4

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
filereader.php?p1=main_70efdf2ec9b086079filereader.php?p1=main_98f13708210194c47
ج

filereader.php?p1=main_1f0e3dad99908345f

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.filereader.php?p1=main_b6d767d2f8ed5d21a تنش سطحی مایع، N عدد آووگادرو و filereader.php?p1=main_37693cfc748049e45 آنتالپی تبخیر (انرژی مورد نیاز برای تبدیل مایع به فاز گاز) است.

(۱)                                                                                          filereader.php?p1=main_3c59dc048e8850243

تعداد مولکول های برخوردکننده به زیرلایه بر واحد زمان از معادله ۲ بدست می آید. P فشار بخار در واحد پاسکال، K ثابت بولتزمن، T دمای مطلق و m جرم مولکولی یا اتمی است.
(۲)                                                                                                                       filereader.php?p1=main_1ff1de774005f8da1

اگر مایع در دمای ثابت (T) و قطر دهانه بوته ی حاوی مایع (r) نیز ثابت باشد، R شعاع دایره  ای را نشان می دهد که زیرلایه و بوته حاوی ماده هدف می تواند برروی محیط آن قرار گیرد (معادله ۳، شکل ۳). filereader.php?p1=main_33e75ff09dd601bbeدانسیته جرمی filereader.php?p1=main_6ea9ab1baa0efb9e1و A مساحت زیرلایه است.
(۳)                                                                                      filereader.php?p1=main_8e296a067a3756337الف                                                                          ب

filereader.php?p1=main_34173cb38f07f89dd               filereader.php?p1=main_c16a5320fa475530d

شکل۳: هندسه رسوب دهی برای زیرلایه (الف) در موقعیت تصادفی (ب) در سطح کره filereader.php?p1=main_d67d8ab4f4c10bf22

۲-۲-۳- تئوری حاکم بر نرخ تبخیر

     اگر خلاء بالا در محفظه وجود داشته باشد، اکثر مولکول ها یا اتم ها بدون برخورد به یکدیگر به زیرلایه می رسند. به عبارت دیگر پویش آزاد میانگین اتم هاfilereader.php?p1=main_6364d3f0f495b6ab9با 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.filereader.php?p1=main_182be0c5cdcd5072bمقدار ذرات متفرق شده با برخورد با اتم ها و گازهای باقی مانده متناسب است باfilereader.php?p1=main_1c383cd30b7c298ab.
(۴)                                                                                                 filereader.php?p1=main_e369853df766fa44e

همچنین مساحت سطح رسوب کرده بر اساس قانون سینوس متناسب است با filereader.php?p1=main_19ca14e7ea6328a42

بنابراین با توجه به اینکه ضخامت فیلم رسوب کرده متناسب است با filereader.php?p1=main_a5bfc9e07964f8dddنسبت ضخامت ها از رابطه زیر بدست می آید.

(۵)                                                                                                         filereader.php?p1=main_a5771bce93e200c36
filereader.php?p1=main_a1d0c6e83f027327d

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 filereader.php?p1=main_17e62166fc8586dfaو زیرلایهfilereader.php?p1=main_f7177163c833dff4b ب- نسبت ضخامت فیلم های ایجاد شده متناسب است با زاویه برخوردیfilereader.php?p1=main_f7177163c833dff4b

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.

filereader.php?p1=main_d9d4f495e875a2e07

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

filereader.php?p1=main_67c6a1e7ce56d3d6f
filereader.php?p1=main_642e92efb79421734
filereader.php?p1=main_f457c545a9ded88f1


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.

filereader.php?p1=main_c0c7c76d30bd3dcae
شکل ۷: احتمال انعکاس، تبخیر مجدد و تراکم اتم¬های برخوردی به سطح
نسبت اتم های متراکم شده به اتم های برخوردی را “ضریب چسبندگی” می گویند. اتم ها ممکن است قبل از تراکم روی سطح تحرک داشته باشند. قابلیت تحرک یک اتم روی سطح به انرژی اتم، برهمکنش اتم سطح (پیوند شیمیایی) و دمای سطح بستگی دارد. تحرک روی سطح می تواند با تغییر ترکیب شیمیایی و ساختار کریستالی نیز تغییر کند. همچنین صفحات سطح با کریستالوگرافی مختلف، انرژی آزاد سطحی متفاوتی دارد که نفوذ سطحی را تحت تاثیر قرار می دهد.
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

filereader.php?p1=main_2838023a778dfaecd

ب

filereader.php?p1=main_9a1158154dfa42cad

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

برگشت به بالا