1)     مقدمه:

پوشش­دهی یکی از مهمترین بخش­های مهندسی سطح است که رقابت صنایع مختلف به پشتیبانی این رشته از آنها بستگی دارد و از نظر اقتصادی نیز بسیار مهم و حیاتی می­باشد.

مهندسی سطح عبارت است از طراحی و ساخت همزمان سطح و زیرلایه به­صورت سیستمی با ارتقای عملکرد آنها که از لحاظ اقتصادی به­صرفه باشد. هدف مهندسی سطح این است که به ویژگی­های موردنظر سطح در طراحی برای یک کاربرد خاص برسد، بطوری که از لحاظ کیفیت و قیمت بسیار مفید و موثر باشد. مهندسی سطح می­تواند به­صورتی عمل کند که فناوری و تخصص را بین بخش مصرف­کنندگان نهایی انتقال دهد.

تاکنون پوشش­ها به­طور عمومی به­منظور ایجاد لایه­ای از مواد با خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مناسب بر روی سطح فلزات و آلیاژها استفاده می­شدند. هدف از ایجاد این­گونه پوشش­ها ایجاد و یا ارتقای خصوصیات مهندسی سطح با کارایی و کیفیت مناسب می­باشد. امروزه دامنه جدیدی از پوشش­ها با ساختار نانومتری توسعه یافته است که می­توان خواص مهندسی ویژه­ای را در لایه­های سطحی بوجود آورد که در روش­های معمولی مقدور نیست.

طیف وسیعی از کاربردهای مهندسی براساس خواص سطح بوده و تنوع ساختارهای نانومتری سبب شده که هر روز کاربردهای وسیع­تری مطرح شود. نانومواد سبب شده که وسایل و ابزار مهندسی به مرور ظریف­تر و دقیق­تر شده و با خواص و کیفیت بهتری تولید شوند. از جمله مزایای مواد نانومتری به­خصوص نانوساختار عبارت از افزایش کیفیت خواص پوشش، افزایش طول عمر سرویس پوشش و سازگاری بیشتر با محیط­زیست است [1].

 

2)     آشنایی با کلیات روش­های رسوب­گذاری فیزیکی از فاز بخار

در رسوب­گذاری به­روش تبخیر فیزیکی یا PVD، پوشش­ها روی سطوح جامد از طریق چگالش عنصرها و ترکیب­ها از فاز گازی تولید می­شوند. تبخیر در خلاء، عمومی­ترین روش تهیه لایه­های بسیار خالص و تحت شرایط نسبتا کنترل شده است. اصول این روش عموما بر اساس اثرهای کاملا فیزیکی پایه­ریزی می­شود، اما PVD ممکن است در بعضی موارد با واکنش­های شیمیایی نیز همراه باشد. بعضی از این واکنش­های شیمیایی عمدتا در فناوری انباشت لایه­های خاص به­کار می­روند [2]. رسوب­گذاری به روش تبخیر فیزیکی شامل مراحل ذیل است:

الف) تبدیل ماده تبخیری به حالت گازی از طریق تبخیر یا تصعید و یا کندوپاش کاتدی

ب) انتقال اتم­ها (مولکول­ها) از چشمه تبخیر به زیرلایه، در فشار کاهش­یافته

ج) رسوب این ذره­ها روی زیرلایه

د) بازآرایی پیوند اتم­ها روی سطح زیرلایه [2].

در حالت کلی­تر مکانیزیم­های اصلی در فرایند رسوب­گذاری فیزیکی بخار، عبارتنداز جداکردن اتم از سطح به طریقی (اشعه، باریکه الکترونی، حرارت و غیره) و یا اینکه یونی به سطح برخورد کرده و سبب پرتاب اتم از ماده هدف می­شود.                                                                                                                                                               

در نگاه کلی روش رسوب­گذاری فیزیکی بخار شامل چندین روش متفاوت است که دارای مکانیزیم­های نسبتا مشابهی هستند.

 

2-1) فرایندهای تبخیر

1-1-2) تبخیز با فیلامان حرارتی

فرایند رسوب­گذاری فیزیکی بخار با بهره­گیری از فیلامان حرارتی، امری ساده به­نظر می­رسد. به این صورت که با بخار نمودن ماده هدف و نشاندن آن بر روی زیرلایه، سبب ایجاد لایه­نازک خواهد شد. از عواملی که سبب کنترل سرعت رسوب­گذاری در این روش خواهند شد، دمای ذوب ماده هدف و فشار محفظه است. خوشبختانه این روش جزء روش­هایی است که با آن قادر خواهیم بود مواد زیادی را پوشش­دهی نماییم. شمایی از رسوب­گذاری فیزیکی بخار با استفاده از فیلامان حرارتی در شکل 1-2 آمده است [3].

 

 

 

 

شکل 1-2) شمایی از روش رسوب­گذاری فیزیکی بخار با استفاده از فیلامان حرارتی [4].

 

2-1-2) تبخیز با اشعه الکترونی

تبخیر با اشعه الکترونی از جمله روش­هایی است که جهت پوشش­دهی مواد با نقطه ذوب بالا بکار می­رود. بنابراین جهت پوشش­دهی موادی چون TiN استفاده از اشعه الکترونی و لیزر نیز امکان­پذیر خواهد است. با این روش امکان رسوب­گذاری فلزات، نیمه­هادی­ها و مواد عایق امکان­پذیر می­باشد. از جمله محدودیت­های روش فیزیکی، نیاز به خلاء است که فرایند تبخیر را امکان­پذیر می­سازد. شمایی از رسوب­گذاری فیزیکی بخار با استفاده از اشعه الکترونی در شکل 2-2 آمده است.

 

 

 

 

شکل 2-2) شمایی از روش رسوب­گذاری فیزیکی بخار با استفاده از اشعه الکترونی [4].

 

3-1-2) تبخیر با استفاده از انرژی لیزر (PLD[3])

رسوب­گذاری فیزیکی بخار با بهره­گیری از لیزر، جزء روش­های موثر در لایه­نشانی به­شمار می­رود. زیرا در این روش، انرژی لیزرهای مورد استفاده به­قدری بالا است که قادر خواهیم بود، مواد سختی چون سرامیک­ها و مواد غیرفلزی از جمله TiN را بر روی زیرلایه پوشش دهیم. همچنین به جهت دقت بالای این فرایند، از این روش برای پوشش­دهی سرامیک­هایی که ترکیبات استوکیومتری آنها مهم است، از جمله پیزوالکتریک­ها و ابررسانا، استفاده شایانی می­شود. بر اثر برخورد لیزر به ماده هدف، در حد واسط زیرلایه و ماده هدف، پلاسمای باریکی به نام Plumbe تشکیل می­گردد که اندازه آن می­تواند در سرعت پوشش­دهی و ضخامت آن موثر باشد [3].

به هر حال روش PLD هم به تناسب خود دارای اشکالات و معایبی است که در ذیل بیان می­شود: 

الف) وجود پدیده Splashing داخل لایه­نازک ایجاد شده وجود دارد 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 موجب می­شود [3].

 

بنابراین در روش تبخیر لیزری، انرژی لازم برای تبخیر ماده هدف (Ti) توسط انرژی لیزر تامین می­شود. در جریان تابش اشعه لیزر اتم­های تیتانیم از سطح ماده هدف تبخیر شده و در محفظه Plumbe (حد فاصل بین زیرلایه و ماده هدف) قرار می­گیرد. در این فرایند با حضور نیتروژن کافی در محفظه و نیز واکنش­پذیری فوق­العاده نیتروژن با تیتانیم، ترکیب TiN تولید شده و رسوب آن بر روی زیرلایه تشکیل می­شود. شمایی از فرایند PLD در شکل 3-2 نشان داده شده است.

 

 

 

 

 

 

شکل 3-2) شمایی از روش رسوب­گذاری فیزیکی بخار با استفاده از لیزر [3].

 

حال سوال اینجاست که آیا در فرایند رسوب­گذاری فیزیکی بخار، واکنش­های تجزیه­ای صورت می­گیرد و یا اینکه صرفا تبخیر ساده صورت می­گیرد. در جواب لازم به­ذکر است که امکان دارد در حین فرایند، واکنش تجزیه­ای هم صورت گیرد. به­عنوان مثال در فرایند رسوب­گذاری TiN از دو ماده Ar و N2 استفاده می­شود. در حضور پلاسما، N2 به رادیکال آزاد N تجزیه می­گردد که با ماده هدف (Ti) برخورد نموده و TiN در سطح ایجاد می­شود. پرتاب یون­های Ar+ سبب کندن TiN از سطح و رسوب آن بر روی زیرلایه خواهد شد [5].

 

4-1-2) برآرایی باریکه مولکولی (Molecular Beam Epitaxy)

برآرایی باریکه مولکولی یا MBE همان روش تبخیر است که به دستگاه­های آنالیز سطحی از جمله XPS، Auger، RHEED مجهز می­باشد [6].

 

5-1-2) رسوبگذاری با بهره­گیری از پرتوی یونی (Ion Beam Assisted Deposition)

رسوب­گذاری با بهره­گیری از باریکه یونی (IBAD) جزء روش­های فیزیکی لایه­نشانی است. در این روش از یک تفنگ یونی که انرژی­هایی در حد کیلو الکترون­ولت دارند، استفاده می­شود. مکانیزم عمل به این صورت است که حین فرایند تبخیر، این انرژی به انرژی اتم­های تبخیرشده که انرژی کمی دارند، (در حد دهم الکترون ولت) منتقل می­شود و سبب می­­گردد که اتم­های با انرژی بیشتری روی سطح زیرلایه بنشیند و موجب ایجاد لایه نازک با دانسیته بالای خواهد شد. به­بیان ساده­تر بعد از بخار شدن ماده هدف، یون­های آرگون که پرانرژی است، با این اتم­ها برخورد نموده و سبب انتقال راحت­تر اتم­های بخارشده به سطح زیرلایه می­شود و لایه نازک را ایجاد می­کند. این روش بیشتر در لایه نشانی قطعات الکترونیکی مورد استفاده می­گردد [3].

روش IBAD [4] برای ایجاد پوشش‌های نیتریدی فلز، امکان زیادی را فراهم می‌کند. با ایجاد تغییر در پارامترهای رسوب‌دهی 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 [7].

توسعه پوشش‌های سخت بر مبنای نیترید فلزات واسطه با استفاده از IBAD، موضوع تحقیقات گسترده‌ای است. این نیتریدها شامل TiN، CrN، VN و ZrN می‌باشند که دارای خواص شیمیایی و فیزیکی متفاوتی هستند [8]. به­طور مثال TiN در دمـای بالای C500 به آرامی اکسیده شده و باعث ایجاد لایه اکسیدی روتیل غیرچسبنده و نامناسب TiO2 بر بالای TiN می‌شود. به این ترتیب مقاومت به سایش TiN، افت می‌کند. CrN، به­دلیل تشکیل لایه اکسیدی متراکم و محافظ Cr2O3 که از اکسیداسیون بیشتر ممانعت می­کند، دارای مقاومت بیشتری نسبت بهTiN در مقابل اکسیداسیون است [7 و 9].

شکل 4-2، شماتیکی از سیستم IBAD که برای ایجاد لایه نازک نانوکریستال TiN به کار می‌رود را نشان می‌دهد. این سیستم شامل یک منبع تبخیر اشعة الکترونی برای تبخیر فلز Ti و یک منبع یونی برای ایجاد اشعة یون نیتروژن به­منظور تشکیل TiN بر روی Si است [7].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 4-2) شماتیک از سیستم IBAD [7].

 

2-2) فرایند کندوپاش (Sputtering)

فرایند کندوپاش، شامل کندن اتم به­وسیله گاز کندوپاش کننده (مانند گاز آرگون) از سطح ماده هدف و نشاندن آن برروی زیرلایه است. به­دلیل اینکه این روش جزء روش­های رسوب­گذاری فیزیکی بخار است، در این فرایند ایجاد لایه­های نازک به­صورت مستقیم­الخط صورت می­گیرد. همچنین در فرایند کندوپاش، پلاسما نقش به­سزایی در کندن اتم از سطح دارد.

مراحل مختلفی که در فرایند کندوپاش صورت می­گیرد، به­شرح ذیل است:

1.   یونیزه شدن اتم­های گاز آرگون، به­دلیل وجود اختلاف پتانسیل بالا بین کاتد و آند خواهد شد.

2.   یون­های آرگون مثبت، به شدت به­سمت پتانسیل منفی که محل قرارگیری ماده هدف است، برخورد می­کند.

3.   یون­های آرگون، ماده هدف را بمباران کرده که سبب کنده شدن مواد و پرتاب بر روی زیرلایه خواهد شد.

4.   با ادامه این فرایند شاهد تشکیل لایه نازک بر روی زیرلایه خواهیم بود.

5.   همچنین الکترون­های آزاد موجود در محفظه با اتم­های آرگون برخورد نموده و یون­های بیشتری تولید می­کند که موجب تولید بیشتر پلاسما برای فرایند کندوپاش خواهد شد [4].

 

1-2-2) انواع فرایند کندوپاش

با توجه به نوع پتانسیل اعمالی و گازهای اضافی، انواع مختلفی از فرایند کندوپاش وجود خواهد داشت. انواع روش­های فرایند کندوپاش عبارتنداز:

·      DC Sputtering

·      AC Sputtering یا RF

·      Reactive Sputtering

·       Magnetron Sputtering

در روش آخر، یعنی روش کندوپاش مگنترون، به­دلیل سرعت بالای رسوبگذاری و یکنواختی مطلوب از روش­های پرکاربرد فرایند کندوپاش به­شمار می­رود [3].

 

2-2-2) ویژگی گاز تزریق شده در فرایند کندوپاش

1.   انرژی گازهای پرتاب شده

اگر انرژی گاز تزریق شده کم باشد، هیچ انرژی موثری برای کندن اتم­های ماده هدف نخواهد داشت و کار بدون نتیجه خواهد بود. ولی اگر انرژی یون­های گازی پرتاب شده از حدی (بیشتر از انرژی پیوندی اتم­های ماده هدف) بیشتر باشد، موجب کندن اتم­های ماده هدف می­گردد و نتیجه عملیات کندوپاش را در پی خواهد داشت.

2.   انتخاب نوع گاز برای عملیات کندن اتم­ها

اندازه یون­های گاز پرتاب شده هم عامل تعیین­کننده در انتخاب نوع گاز می­باشد. اگر اندازه اتم­ها از حدی کوچکتر باشد، اتم­های گازی وارد جسم ماده هدف شده و کارایی فرایند کندوپاش را کاهش می­دهد. اگر اتم­های گازی از حدی بزرگتر باشد، موجب تغییر شکل در ماده هدف خواهد شد و عمل کندن اتم­ها صورت نخواهد گرفت. بنابراین در انتخاب نوع گازی، باید اندازه آن متناسب با اندازه اتم­های ماده هدف باشد [4].

بنابراین در فرایند کندوپاش به­طور وسیعی از گاز آرگون استفاده می­شود، زیرا هم اندازه آن مناسب است و هم اینکه با هیچ ماده یا گاز دیگر واکنش­پذیری شیمیایی نخواهد داشت. همچنین از دیگر دلایل استفاده از گاز آرگون در فرایند کندوپاش سادگی تخلیه آن از محفظه و نیز عدم سمیت و خطرناک بودن آن است.

 

3-2-2) ایجاد پوشش نانوساختار TiN با استفاده از فرایند کندوپاش واکنشی

در اکثر فرایندهای کندوپاش از گاز آرگون به تنهایی استفاده می­شود ولی در برخی مواقع گازهای دیگری از جمله گاز نیتروژن نیز وارد محفظه می­شود که می­تواند با ایجاد ترکیب جدید، وارد لایه نازک شود. شمایی از فرایند ایجاد پوشش نانوساختار با روش کندوپاش واکنشی در شکل 5-2 آورده شده است.

 

شکل 5-2) شمایی از فرایند کندوپاش واکنشی برای ایجاد پوشش نانوساختار TiN [4].

 

به­عنوان مثال لایه­ نازک نیترید تیتانیم (TiN) که بر روی زیرلایه رسوب داده می­شود، می­تواند به­واسطه فرایند کندوپاش واکنشی باشد. در این روش علاوه بر گاز آرگون، گاز دیگری مانند نیتروژن وارد محفظه می شود تا با اتم­های تیتانیم واکنش دهد و ماده نیترید تیتانیم (TiN) ایجاد نماید. در ابتدای فرایند که گاز آرگون وارد محفظه می­شود، ماده هدف تیتانیم غیرفعال است. سپس با ورود نیتروژن کافی فرایند کندوپاش واکنشی رخ می­دهد. در این حالت گاز آگون سبب افزایش سرعت رسوب­گذاری نیترید تیتانیم خواهد شد [4].

به بیان ساده­تر در فرایند کلی کندوپاش، ابتدا گاز آرگون به محفظه دستگاه تزریق می­شود و سپس یک ولتاژ بالا به دستگاه اعمال می­گردد که به­موجب آن از گاز آرگون الکترون آزاد شده و به یون­های آرگون مثبت تبدیل می­شود. در ادامه یون آرگون (با بار الکتریکی مثبت) با شتاب به سمت کاتد (با بار الکتریکی منفی) پرتاپ شده و سبب کندن اتم­ها از ماده هدف و نشاندن آن برروی زیرلایه می­گردد و عمل پوشش صورت می­گیرد [4].

 

3)     نتیجه گیری:

روش­ رسوب­گذاری فیزیکی از فاز بخار به عنوان یکی از روش­های مهم و مرسوم در مهندسی سطح برای ایجاد پوشش­های متداول و پوشش­های نانوساختار به­شمار می­رود. دمای نسبتا پایین این روش و سهل­الوصول بودن روش از مزایای اصلی آن است. ولی با وجود مزایای فوق معایبی از جمله رسوب­دهی مستقیم­الخط بر روی قطعه (عدم ایجاد پوشش یکنواخت بر روی قطعات پیچیده و غیر مسطح) و استحکام چسبندگی نسبتا کم نسبت به روش­های شیمیایی دارد. لذا مهندسان سطح بایستی در انتخاب نوع روش، درخواست مشتری را مدنظر داشته باشند تا بر اساس خواسته­های آنان روش مناسب، ارزان­تر و با کیفیت بهتر انتخاب شود.

4)     منابع:

[1]. علم­خواه حسن، سمینار کارشناسی نانومواد دانشگاه تربیت مدرس.

[2]. سوالونی هادی، مبانی علم سطح در نانوفناوری (جلد اول)، انتشارات دانشگاه تهران.

.[3] Milton Ohring, Material Science Of Thin Films, Second Edition.

 .[4] www.abc.ie/intel/CVD_PVD_Thin_Films

[5]. www2.austin.cc.tx.us/HongXiao/Book.htm.

[6]. مرعشی پیروز و همکاران، اصول و کاربرد میکروسکوپ­های الکترونی و روش­های نوین آنالیز، ابزار شناسایی دنیای نانو، انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران.

 .[7] S.C. Tjong, Haydn Chen, Nanocrystalline materials and coatings, Mater. Scie. Engin. R 45 )2004( 1-88.

[8]. J.H. Huang, C.H. Lin, H. Chen, Mater. Chem. Phys. 59 (1999) 49.

[9]. H. Jensen, U.M. Jensn, G. Sorensen, Surf. Coat. Technol. 74–75 (1995) 297.

 


[1] ) Chemical Vapor Diposition

[2] ) Physical Vapor Diposition

3) Pulsed Laser Deposition

4 ( Ion Beam Assisted Deposition