روش های مهم تولید بخار در فرایند PVD یا رسوب دهی فیزیکی از فاز بخار

مهندسی سطح که شاخه ای از علم مواد می باشد، کاربردهای گسترده ای در مهندسی مکانیک، مهندسی برق، مهندسی شیمی و پتروشیمی دارد. صنایعی مانند نفت، گاز و پتروشیمی، خودروسازی، هوا فضا، فولاد، سیمان، ماشین ابزار، نساجی و … به نوعی با جنبه های مختلف مهندسی سطح سر وکار دارند. لذا امروزه شناخت کامل از روش های بهبود ویژگی های سطحی از نیازهای مبرم دانشجویان و متخصصین این حوزه می باشد. PVD که از جمله روش های نوین در مهندسی سطح می باشد، جهت ایجاد پوشش هایی با خواص مناسب کاربرد فراوانی پیدا کرده است. در این نوشته از عصر مواد، سعی داریم تا فرایند PVD را بیشتر از جنبه نحوه ی تولید فاز بخار مواد پوشش مورد بررسی قرار دهیم، پس همراه ما تا انتهای این نوشته باشید.

فرایندهایی که برای تولید پوشش های معدنی بر سطح زیرلایه های متفاوت و معمولاً نرم تر از ماده ی رسوب دهی، از ساز و کار تبخیر و رسوب از فاز بخار بهره می گیرند، به نام فناوری های رسوب دهی از فاز بخار شناخته می شوند. پوشش های تشکیل شده با این فرایندها به خاطر ویژگی های مقاومت به خوردگی و سایش مطلوب، در فراوری سطحی قطعات صنعتی کاربردی گسترده دارند. به علاوه، این پوشش ها در زمینه های الکترونیک، تجهیزات نوری و کارهای تزئینی نیز با استقبال فراوانی رو به رو شده اند. هرچند در گذشتهای نه چندان دور، لایه گذاری تنها بر زیرلایه های فلزی و آلیاژی انجام می شد، ولی ابداع فنون لایه گذاری نوین، پوشش دهی مواد پلیمری را نیز ممکن ساخته است.

متداول ترین طبقه بندی فرایندهای رسوب دهی از فاز بخار، تقسیم بندی به روش های رسوب دهی فیزیکی (PVD) و شیمیایی (CVD) است. در حالی که روش های نخست عمدتاً برای تولید لایه های نازک که ضخامتشان در محدوه ی چند آنگستروم تا کسری از میلی متر است به کار می روند، فنون لایه گذاری شیمیایی برای ایجاد پوشش های ضخیم تر از یک میلی متر هم کارایی دارند. دیگر تفاوت PVD و CVD به نحوه ی شکل گیری پوشش مربوط است. در ادامه به بیان شرح مختصری از فرایند رسوب دهی به روش PVD می پردازیم:

فرایندهای PVD

فرایندهای اصلی PVD در دو طبقه بندی عمومی تبخیر حرارتی و اتم کنی یا کندوپاش قرار می گیرند. در فرایندهای تبخیری، بخار از ماده ای که در یک چشمه قرار گرفته و به روش های مختلف گرم می شود به وجود می آید، در حالی که در فرایند اتم کنی یا کندوپاش، بمباران سطح یک هدف جامد یا مذاب، با ذرات پر انرژی و انتقال مومنتم به ماده ی هدف باعث کنده شدن ذرات اتمی یا مولکولی از سطح آن می شود.

در هر دو ساز و کار تبخیر حرارتی و اتم کنی، ویژگی های لایه های رسوب داده شده بر سطح زیرلایه به نوع ماده ی راسب، شیمی و مورفولوژی سطح زیرلایه و همچنین، ویژگی های مکانیکی و روش آماده سازی سطح بستگی خواهد داشت. به علاوه، گونه ی فرایند لایه گذاری و پارامترهای کنترل کننده ی رشد لایه ی پوششی و بالاخره، فرایندها و واکنش های پس از رسوب دهی نیز بر ویژگی های پوشش های PVD تاثیر گذار هستند.

تولید بخار به روش های تبخیر حرارتی

منبع تامین گرمای تبخیر، برحسب نحوه ی گرمایش برای تغییر حالت ماده جامد یا مایع به بخار، گروه بندی می شوند که مهم ترین آن ها روش های مقاومتی، پرتو الکترونی، تبخیر تصعیدی، تبخیر آنی، تبخیر لیزری و قوسی است که به طور مختصر بررسی می شوند.

روشهای مقاومتی:

گرمایش مقاومتی متداول ترین روش تبخیر مواد در دمای پایینتر از حدود ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد است. ساده ترین منابع ایجاد گرمای مقاومتی شامل سیم و ورق های نازک، در شکل و اندازه های متفاوت می باشند. این منابع گرم کننده به قیمت های نسبتاً پایین در دسترس بوده و لذا می توان آن ها را حتی پس از یک بار استفاده هم تعویض کرد. گرم کننده های مقاومتی معمولاً از فلزات دیرگداز از قبیل تنگستن، مولیبدن و تانتالم که نقطه ذوبشان بالا و فشار بخارشان پایین است، ساخته می شوند تا پوشش را آلوده نکنند.

گرمایش با پرتو الکترونی:

در این روش مشکل آلودگی ناشی از واکنش بین ماده ی تبخیر شونده و گرمکننده ی مقاومتی منتفی می شود، زیرا چشمه که در یک ظرف مسی قرار گرفته است با آب سرد می شود. چگالی قدرت تبخیر کننده های الکترونی بسیار بالاست و از اینرو، آهنگ تبخیر را می توان در گستره ی وسیعی کنترل کرده و تغییر داد. یکی از مزایای این قابلیت این است که می توان برای ایجاد پوشش های آلیاژی نیز از آن استفاده کرد. در این حال پرتو الکترونی بین بوته های نگه دارنده ی عناصر آلیاژی در نوسان بوده و با تنظیم چگالی جریان (انرژی پرتو)، هر کدام از عناصر را می توان به طور جداگانه تبخیر، و به سمت زیرلایه هدایت کرد.

فرسایش لیزری:

در این فرایند ماده در اثر تابش پرتو لیزری به سطح آن به صورت ذرات بخار جدا و در اثر تقطیر بر سطح یک زیرلایه ی جامد، پوشش تشکیل می دهد. طول موج لیزر با توجه به ویژگی های جذبی ماده ی تبخیر شونده تعیین می شود و در هنگام نیاز به پرتوهای با چگالی انرژی بالا معمولاً از لیزرهای تپشی استفاده میشود که عملکردشان با توجه به پهنای تپش، آهنگ تپش (بسامد) و شدت ضربان تعیین می شود. از جمله لیزرهای متداول میتوان به دو لیزر YAG eximer (ایتریم، آلومینیوم، یاقوت) و Arf (آرگون-فلورین) اشاره کرد.

تصعید:

موادی از قبیل کرم، وانادیم، پالادیم، مولیبدن و سیلیسم را که پیش از ذوب شدن به فشار بخاری در حدود ۰٫۰۱ تور می رسند، می توان از طریق تصعید به فاز بخار تغییر حالت داد. از ویژگی های این روش این است که ماده ذوب و روان نمی شود و نیاز به ظرف نگه دارنده ندارد. گرمایش را می توان با استفاده از منابع مقاومتی، تابشی، تماس مستقیم با یک سطح و یا بمباران الکترونی انجام داد.

تبخیر آنی:

یکی از گزینه های این روش، استفاده از سیم منفجر شونده است که در آن در اثر تخلیه یک سری خازن به صورت تپشی (پالسی) جریانی با شدت بالا از یک سیم عبور کرده و باعث تبخیر آنی آن می شود. از مزیت های این روش این است که می توان با عبور سیم از منافذ و حفره های باریک، ماده را بر سطوح داخلی رسوب داد.

تبخیر با قوس الکتریکی:

این روش با استفاده از یک هدف فلزی جامد که به صورت موضعی و لحظه ای در اختلاف پتانسیل بین چشمه (کاتد) و بدنه ی محفظه لایه گذاری یا یک آند موضعی تحت بمباران قوس الکتریکی قرار می گیرد، انجام می شود. بزرگ بودن توان الکتریکی در محل برخورد قوس به هدف، باعث تبخیر فلز و ایجاد بخار به شدت یونیزه می شود که به سادگی به سمت زیرلایه که در پتانسیل الکتریکی منفی است، کشیده می شود. بنابراین، زیرلایه تحت بمباران شدید یون های فلزی قرار می گیرد که باعث تمیز شدن و گرمایش سطح آن می شود. پس از این مرحله، گاز واکنش زا به محفظه وارد شده و شرایط لایه گذاری برقرار می شود.

تصویری از مکانیزم روش تبخیری تولید بخار

لایه گذاری با اتم کنی یا کندوپاش (Sputter ion plating)

دیگر فن تجاری مهمی که به منظور فائق شدن بر محدودیت های تولید بخار به روش های تبخیری به کار می رود و در آن هیچ گونه نیازی به ذوب چشمه لایه گذاری نیست، بر بهره گیری از اتم کنی با بمباران یونی پایه گذاری شده است. در این فرایند نیازی به ذوب ماده لایه گذاری نیست و از این رو، گستره ی وسیعی از مواد را می توان با آن رسوب داد. پوشش دهی هم در اتمسفر گاز خنثی و هم واکنش پذیر انجام می شود ولی از فنون تبخیری بسیار کندتر است.

در این روش، سطح زیرلایه به یک پتانسیل الکتریکی منفی وصل بوده و در اثر انتقال مومنتم بین آن و یون های پرانرژی یک گاز بی اثر و سنگین از قبیل آرگون، در اثر فرسایش (اتم کنی) سطحی تمیز می شود. ماده ی سطحی که به صورت اتم های پرانرژی از سطح کنده می شود بر سطوح مجاور تقطیر و منجمد می گردد. با توجه به اینکه انرژی زیاد یون ها برای غلبه بر انرژی پیوندی شبکه ی هر زیرلایه ای کفایت می کند، و هم چنین به خاطر این که چشمه نه در اثر گرمایش و تبخیر، بلکه در نتیجه ی بمباران یونی بخار خود را تولید میکند، این فرایند را می توان برای تولید پوشش دامنه ی گسترده ای از مواد از جمله تشکیل لایه های نازک مهندسی، نوری و الکتریکی به کار گرفت.

تصویری از مکانیزم لایه گذاری با اتم کنی

تجهیزات PVD

تمامی سامانه های پوشش دهی PVD، بدون توجه به نوع روش مورد استفاده، از اجزای اصلی زیر تشکیل شده اند:

محفظه خلاء: معمولاً استوانه ای شکل و یا مکعبی بوده و از فولاد زنگ نزن ساخته می شود.
کلگی پوشش دهی: به منظور تشکیل یون ها یا اتم ها و جهت دادن شان به منطقه یونیزه کردن و رسوب دهی به کار می رود.
سامانه ی تولید و نگه داری خلاء: مشتمل بر پمپ های روغنی و نفوذی، شیر آلات و تجهیزات اندازهگیری خلاء است.
سامانه ی تغذیه گازهای واکنشزا: شامل سیلندر، شیر آلات و سنجه های فشار و جریان گاز است.
سامانه های الکتریکی و مغناطیسی: به منظور ایجاد میدان و قطبش مورد نظر در الکترودها و قطعهکار
سامانه ی فیکسچر و جابه جایی قطعه کار
سامانه های کنترل
اجزای کمکی شامل بخش های پیش گرمایش زیرلایه و مدار آب سرد کننده