0
04136674922

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 می­ کند، 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

 

 

منابع:

کتاب مهدسی سطح. تالیف: دکتر ناصریان ریابی و دکتر حائریان اردکانی

مقاله مروری Sputtering Physical Vapour Deposition (PVD) Coatings، نویسندگان: Andresa Baptista و همکارانش

 

 

 

 

 

 

 

 

مطالب مرتبط:

 

 

 

ارسال دیدگاه