انواع PVD

پوشش­ دهی با استفاده از رسوب فیزیکی بخار (PVD) به  دو روش کلی تقسیم می­شود:

۱- تبخیر حرارتی (Evaporation)

۲- کندوپاش(Sputtering)

که هر کدام از آن ها با چند مدل مختلف انجام می­ شوند که در ادامه توضیح داده خواهد شد.

۱-۱- تبخیر حرارتی Thermal Evaporation:

فرآیند تبخیری با بهره­ گیری از فیلامان تنگستنی، برای ذوب فلزاتی مانند آلومینیم و مس که نقطه ذوب کمتر از ۱۵۰۰ درجه سانتی­گراد دارند مورد استفاده قرار می­ گیرد. بعد از رسیدن فشار محفظه به محدوده ^۵-۱۰ تور، از طریق الکترود مسی (دارای آبگرد)، جریان بالایی (در حدود ۱۰۰ تا ۲۰۰ آمپر) به بوته تنگستنی اعمال شده و موجب تبخیر مواد هدف (تارگت) که در داخل بوته قرار گرفته می­ شود. از عواملی که سبب کنترل سرعت رسوب­گذاری در این روش خواهند شد، دمای ذوب ماده هدف، مقدار جریان اعمالی و فشار محفظه است.

مزایا:

۱- تجهیزات ارزان قیمت نسبت به کندوپاش

۲- مواد هدف (تارگت) ارزان قیمت

۳- سرعت لایه نشانی نسبتاً بالا

۴- پایین بودن دمای محفظه در حین فرآیند (امکان لایه نشانی بر قطعات پلاستیکی)

معایب:

۱- تراکم کم پوشش به دلیل پایین بودن انرژی مواد تبخیر شده (۰.۱- ۰.۵ الکترون ولت)

۲- چسبندگی ضعیف مواد لایه نشانی شده به زیرلایه

۳- عدم امکان لایه نشانی مواد فلزی دیرگداز

۴- امکان حضور ناخالصی جزئی بوته به داخل پوشش

با وجود چسبندگی ضعیف این روش، استفاده از این پوشش در مواردی که قطعه پوشش شده در دسترس و در مواجهه با سایش قرار نداشته باشد مناسب و کاربردی می­ باشد. به عنوان مثال پوشش­دهی جداره داخلی کاسه چراغ اتومبیل با آلومینیم امکان بازتاب بیشتر نور را فراهم می سازد.

 

۲-۱- تبخیر با باریکه الکترونی Electron Beam Evaporation:

با توجه به عدم امکان لایه نشانی مواد دیرگداز و مواد سرامیکی با روش تبخیر حرارتی، روش تبخیر با استفاده از باریکه الکترونی مطرح شده است. در این روش بعد از اعمال جریان بالا به فیلامان تنگستن و داغ شدن آن، الکترون تولیدی به وسیله یک میدان الکتریکی کانونی شده و با پیمودن زاویه ۲۷۰ درجه­ ای بر سطح ماده هدف که در بوته مخصوصی قرار گرفته است، تابانیده می­ شود. به دلیل انرژی بسیار بالا باریکه الکترونی امکان تبخیر مواد دیرگداز و مواد سرامیکی از جمله مواد نیمه هادی و دی الکتریک میسر خواهد بود. باریکه الکترونی صرفاً ناحیه کوچکی از زیرلایه را ذوب و تبخیر نموده و موجب تشکیل لایه­ ای با خلوص بالا بر روی زیرلایه می­ شود.

مزایا:

۱- امکان تبخیر کلیه مواد دیرگداز و سرامیکی

۲- خلوص بالاتر نسبت به روش تبخیر حرارتی

۳- عدم نیاز به حضور گاز خنثی در حین لایه نشانی(فشار در محدوده ^۵- ۱۰ تا  ^۶-۱۰ تور)

۴- سرعت لایه نشانی نسبتا بالا

 

 

معایب:

۱- به دلیل تفاوت در نقطه ذوب و تبخیر مواد، عدم امکان دستیابی به استوکیومتری دقیق در مواد مرکب و آلیاژی

۲- تجهیزات گران قیمت­ تر نسبت به روش تبخیر حرارتی

با توجه به امکان لایه نشانی مواد با نقطه ذوب بالا، این روش در صنعت الکترونیک، اپتیک و صنعت نیمه هادی مورد توجه قرار گرفته است. همچنین با توجه به سرعت بالای لایه نشانی آن و نوع سازوکار لایه نشانی(رشد ستونی)، در دهه اخیر برای اعمال پوشش­های سد حرارتی TBC برای پوشش­دهی پره توربین در صنعت هوایی به مرحله تجاری درآمده و توسط شرکت­هایی معتبر در سراسر دنیا مورد استفاده می­ باشد.

۳-۱- تبخیر به روش قوس کاتدی  Cathodic Arc Evaporation:

در فرآیند Arc PVD، در محیط خلا تخلیه الکتریکی بین دو الکترود (آند و کاتد) اتفاق می­ افتد. متوسط جریانی لازم است تا یکی از الکترودها یونیزه شده و تبخیر شود. در این روش، تبخیر ممکن است بر کاتد یا بر آند صورت گیرد. روش PVD قوسی کاتدی از جمله روش­ هایی است که هم اکنون در صنعت ایران مورد استفاده تجاری قرار می­ گیرد. در این روش تشکیل قوس الکتریکی مانند سامانه جوشکاری می­ باشد که بعد از برقراری جریان بالا، سطح تارگت (کاتد) یونیزه شده و اتم­ های یونیزه به سمت قطعه حرکت می­ کند. در صورت حضور گاز واکنشی از جمله N₂ در اتمسفر محفظه، موجب تشکیل ترکیب نیترید فلزی TiN روی قطعه خواهد شد.

 

 

 

مزایا:

۱- امکان لایه نشانی کلیه فلزات و تشکیل نیترید و کاربید فلزات

۲- به دلیل بالا بودن انرژی اتم­های تبخیری، چسبندگی و تراکم مناسب پوشش به زیرلایه

۳- سرعت لایه نشانی نسبتاً بالا

با استفاده از این روش، امکان لایه نشانی قالب­ها، ابزارها و قطعات صنعتی در مقیاس تجاری وجود دارد. همچنین از دیگر کاربردهای این روش برای ایجاد پوشش­های تزئینی با رنگ­های متنوع می­ باشد.

معایب:

۱- به دلیل ماهیت فرآیند، حضور ماکروذرات سبب ایجاد نقص در پوشش می­ شود

۲- تغییر جزئی در ترکیب استوکیومتری مواد آلیاژی

۳- عدم استفاده از تارگت­های نارسانا و نیمه هادی در این روش

 

 

۲- کندوپاش(Sputtering):

فرآیند کندوپاش، شامل کندن اتم به وسیله گاز کندوپاش کننده (مانند گاز آرگون) از سطح ماده هدف و نشاندن آن بر زیرلایه است. در کندوپاش، پلاسما نقش بسزایی در کندن اتم از سطح دارد.  مراحل مختلفی که در این روش شکل می­ گیرد به شرح زیر است:

۱- یونیزه شدن اتم­های گاز آرگون به دلیل وجود اختلاف پتانسیل بالا بین کاتد و آند خواهد شد.

۲- یون­های آرگون مثبت به شدت به سمت پتانسیل منفی که محل قرارگیری ماده هدف است برخورد می­ کند.

۳- یون­های آرگون ماده هدف را بمباران کرده که سبب کنده شدن مواد و پرتاب به سمت زیرلایه خواهد شد. بهره کندوپاش فلزات با یکدیگر متفاوت است به عنوان مثال فلزی مانند نقره بیشتر و سریع­تر از تیتانیم می ­باشد (بهره کندوپاش نسبت اتم­های کنده شده و یون­های اصابت کرده می باشد).

۴- در نتیجه لایه نازک مورد نظر بر زیرلایه تشکیل می­ شود.

۵- همچنین الکترون­ های ثانویه و آزاد موجود در محفظه با اتم­های آرگون برخورد نموده و یون­ های بیشتری تولید می­ کند که موجب تولید بیشتر پلاسما برای فرآیند کندوپاش خواهد شد.

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

 

۱- DC Sputtering (برای لایه نشانی فلزات)

۲- AC Sputtering یا RF (برای لایه نشانی فلزات و غیر فلزات)

۳- Reactive Sputtering (برای لایه نشانی ترکیبات نیتریدی، کاربیدی و اکسیدی)

۴- Magnetron Sputtering (برای لایه نشانی با راندمان بیشتر)

۵- HiPIMS (High power impulse magnetron sputtering) (برای لایه نشانی همه موارد فوق الذکر با راندمان بیشتر)

 

 

 

 

منبع: مهندسی نانو پوشش­های سخت و مقاوم؛ دکتر حسن علم خواه