EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
1680
filereader.php?p1=main_538f0a3edb0abcf90

موضوع: روش‌های تولید در مقیاس نانو

فصل: رسوب دهی فیزدیکی بخار


بخش‌ اول: معرفی روش رسوب دهی فیزیکی بخار و انواع آن


بخش‌ اول: معرفی روش رسوب دهی فیزیکی بخار و انواع آن


نویسندگان: مبینا کلهریان، معصومه قاسمی نژاد



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 Al2O3 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 2/5 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 1/8= 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، سپس O2 یا N2 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 500 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 10 تا 500 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.


1- 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 لایه‌های 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.


2-1- رسوب دهی فیزیکی بخار: تبخیر حرارتی

در این روش فلز یا آلیاژ در محفظه خلاء با فشار تقریبا 10 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 (شکل1). جدول 1 برخی معایب و مزایای منابع تبخیر مختلف را ارائه می دهد.


filereader.php?p1=main_ba934dde5b8e040c9

شکل1: نمایی از دستگاه PVD تبخیری با استفاده از الف- مقاومت الکتریکی ب- پرتو الکترونی


جدول1: معایب و مزایایی منابع مختلف حرارتی

منبع گرما مزایا معایب
مقاومت بدون تابش آلودگی
پرتو الکترونی آلودگی کم تابش
RF بدون تابش آلودگی
لیزر بدون تابش و آلودگی کم گران


2-1-1- 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 2 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 2 ب و ج).



filereader.php?p1=main_b71dd5a19f2de3f19

الف


filereader.php?p1=main_b735ea04303e0d321

ب


filereader.php?p1=main_3f85d7efc6bd7dbc9

ج
شکل 2: 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 1 (a) با تحرک کم اتم ها (یعنی دمای کم زیرلایه) و بدون چرخش زیرلایه (b) با چرخش و گرمایش زیرلایه


2-1-2- تئوری حاکم بر موقعیت بوته و زیرلایه در محفظه تبخیر

فشار بخار ماده هدف از معادله 1 بدست می آید. σ تنش سطحی مایع، N عدد آووگادرو و ΔH آنتالپی تبخیر (انرژی مورد نیاز برای تبدیل مایع به فاز گاز) است.


filereader.php?p1=main_911af7aa209e00b49

تعداد مولکول های برخوردکننده به زیرلایه بر واحد زمان از معادله 2 بدست می آید. P فشار بخار در واحد پاسکال، K ثابت بولتزمن، T دمای مطلق و m جرم مولکولی یا اتمی است.


filereader.php?p1=main_911af7aa209e00b49

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 3، شکل 3).ρ دانسیته جرمی (Kg/M2) و A مساحت زیرلایه است.

filereader.php?p1=main_911af7aa209e00b49




filereader.php?p1=main_f57896f7e9e23b417

شکل3: هندسه رسوب دهی برای زیرلایه (راست) در موقعیت تصادفی (چپ) در سطح کره (θ = φ)


2-1-3- 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 ها (λ) با فشار محفظه رابطه عکس دارد و با کاهش فشار، پویش آزاد بیشتر می گردد (معادله4). 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 مولکول ها باشد (λ/D>1). مقدار ذرات متفرق شده با برخورد با اتم ها و گازهای باقی مانده متناسب است با :

filereader.php?p1=main_911af7aa209e00b49


filereader.php?p1=main_911af7aa209e00b49


همچنین مساحت سطح رسوب کرده بر اساس قانون سینوس متناسب است با( A~cosβcosθ /(d^2 بنابراین با توجه به اینکه ضخامت فیلم رسوب کرده متناسب است با cosβ، نسبت ضخامت ها از رابطه زیر بدست می آید.


filereader.php?p1=main_911af7aa209e00b49



filereader.php?p1=main_8ed31da12d4e1384f

شکل4: 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 (θ) و زیرلایه (β) ب- نسبت ضخامت فیلم های ایجاد شده متناسب است با زاویه برخوردی (β)


2-2- 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 (شکل5). 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 2 مقایسه کاملی از این روش ها را نشان می دهد.



filereader.php?p1=main_01f5c00202c7e60d9

شکل5: 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.)


جدول2: مقایسه روش تبخیری و کندوپاش از جنبه های مختلف


تبخیر کند و پاش
نرخ هزار لایه اتمی بر ثانیه (به عنوان مثال 0/5 میکرومتر بر دقیقه برای آلمینیوم) یک لایه اتمی بر ثانیه
انتخاب ماده محدود تقریبا محدود
خلوص بهتر(عدم وجود هیچ گازی، خلاء بالا) امکان شرکت ناخالصی (خلائ متوسط)
گرمایش زیرلایه خیلی کم در حالت استفاده از مگنترون، گرمایش زیرلایه قابل توجه است.
آسیب سطحی خیلی کم، امکان آسیب سطح با استفاده از پرتو الکترونی و اشعه ایکس آسیب سطح با بمباران یونی
تمیز کردن در جا مکان پذیر نیست بسیار آسان با استفاده از اچ کردن در کندوپاش
استوکیومتری و ترکیب آلیاژی قابل کنترل نیست ترکیب آلیاژ به شدت قابل کنترل است
آسیب با اشعه ایکس فقط در حالت استفاده از پرتو الکترونی مکان آسیب تابشی
تغییر در مواد منبع آسان پرهزینه
تجزیه مواد زیاد کم
امکان صنعتی شدن دشوار است مناسب و خوب
یکنواختی دشوار است در مساحت های بزرگ آسان است
تجهیزات مورد استفاده کم هزینه پر هزینه
تعداد رسوب در هر بار فقط یک رسوب تعداد زیای رسوب بر هر زیرلایه
کنترل ضخامت دشوار است امکان پذیر است
چسبندگی به سطح غالبا ضعیف است عالی
پدیده سایه افکنی اتم ها زیاد کم
کنترل خواص فیلم (مانند اندزه دانه، پوشش سطوح غیریکنواخت) دشوار است با اعمال بایاس، گرمایش سطح و فشار امکان‌پذیر است


بیشتر بدانید:
پلاسما
ایجاد پلاسما در محیط با عبور جریان الکتریکی و یونیزاسیون گاز موجود در محفظه صورت می گیرد. در ابتدا الکترون های کمی در محیط گاز خنثی وجود دارد. این الکترون ها با ورود انرژی شتاب گرفته و به مولکول های گاز برخورد نموده و منجر به یونیزاسیون آن و متعاقباً تولید الکترون-های بیشتری می شود. بنابراین پلاسما ترکیبی از الکترون، یون های مثبت و منفی و اتم های گازی خنثی است (شکل 6 الف). شایان ذکر است پلاسمای تولید شده می تواند در اثر برانگیختگی و آرامش پی در پی منجر به انتشار نور نیز شود (شکل 6 ب).

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e

شکل6 الف نمایی از تشکیل پلاسما



filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1

شکل6 ب- انتشار نور در محیط پلاسما



3- 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 (شکل7). 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 200 درجه منجر به تبخیر رسوب کادمیوم مجدد کادمیوم در حین تولید لایه نازک کادمیومی می شود.


filereader.php?p1=main_510ca5875a7b6b848

شکل 7: 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 8 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.
مکانیسم فرانک-واندر منجر به رشد لایه به لایه می شود (رشد لایه ای).
مکانیسم والمر وبر (رشد جزیره ای)
مکانیسم استرانسکی- کراستانو (رشد لایه‌ای + جزیره ای)
در بخش رسوب شیمیایی بخار این مکانیسم ها توضیح داده شده است.
رشد لایه نازک نیز در طی سه مرحله صورت می پذیرد (شکل 8 الف):
تجمع بخار روی زیرلایه و انتقال به مکان ترجیحی برای هسته زایی (بخش a)
اتصال جریان جدید از اتم های گازی به یک هسته در حال رشد و کاهش انرژی سطحی (ץ) (بخش b و c).
تشکیل فیلم، این مرحله به دمای زیرلایه و انرژی سیستم بستگی دارد (بخش d و e).



filereader.php?p1=main_6129dbbe34a0b297f

filereader.php?p1=main_58a58645889d3c5ab

شکل8: بالا- مکانیسم رشد لایه نازک
پایین- مراحل تشکیل لایه نازک روی سطح زیرلایه



بیشتر بدانید:
لایه های نازک بسته به خواص و مشخصه هایش در حوزه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. خواص این لایه ها با ترکیب شیمیایی و ساختار فیزیکی‌شان تعیین می گردد. فیلم نازک متخلخل دانیسته کم، ضریب شکستگی کم، سطح بالا، نفوذپذیری و تراوش بالا دارد. از طرف دیگر فیلم های نازک فشرده دانسیته و ضریب شکست بالا و سطح کم دارد. از کاربردهای این لایه های نازک می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- فیلم های نازک نوری (فیلترها، ضدبازتاب کننده، دستگاه های امنیتی)
- اصلاح شیمیایی سطح (آب گریزی، حسگرهای زیستی & شیمیایی)
- پوشش های سدی (فیلم های بسته بندی کننده، )
- پوشش های الکتریکی (صفحات نمایش)
- پوشش های سخت و مقاوم (ابزارهای برش، اجزای موتور)
- پوشش های تزئینی (لوازم و تجهیزات خانگی)

filereader.php?p1=main_f65fcff680b9c0de8

شکل9 تصویر SEM از فیلم نازک متخلخل (راست) فیلم نازک فشرده (چپ)



4- 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.






filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


1- J.Singh and D.E.Wolfe, Review article Nano and macro-structursed component fabrication by electron beam physical vapour deposition ( EB-PVD )
2- K. Lukaszkowicz, Review of Nanocomposite Thin Films and Coatings Deposited by PVD and CVD Technology
3- A. MOARREFZADEH, Simulation and Modeling of Physical Vapor Deposition (PVD) Process.