در فرآیندهای PVD ، خصوصیات فیلم رسوب داده شده به پارامترهای فرآیند مانند دمای رشد، فشار گاز در محفظه خلا و سرعت رسوب نشانی بستگی دارد. در خصوص فرآیندهای PVD پلاسما که می تواند به صورت پاششی یا تبخیر قوس کاتدی (CAE) باشد، انرژی یونهای نفوذی روی سطح رشد نقش تعیین کننده ای دارد. برای زیرلایه های رسانا، شدت بمباران یونی را می توان به سادگی و با اعمال یک ولتاژ منفی به زیرلایه کنترل کرد. با این حال، برای زیرلایه های عایق مانند شیشه یا سرامیک، اعمال ولتاژ بایاسDC به زیرلایه بی فایده است، زیرا سطح زیرلایه به طور یکنواخت از ولتاژ بایاس اعمال شده پیروی نخواهد کرد و در عوض یک پتانسیل متغیر و غیرقابل کنترل ایجاد خواهد شد. در چنین حالتی، نتایج غیرقابل پیش بینی و غالباً غیر قابل اصلاح هستند. به طور مثال، پوشش هایTiN (تیتانیوم نیترید) که تحت شرایط ثابت و با رعایت استانداردهای لازم روی شیشه رسوب دهی شده باشند، در بسیاری از موارد لایه لایه می شوند، در حالی که تحت همین شرایط پوشش اعمال شده بر زیرلایه سرامیکی قهوه ای رنگ و پوشش اعمال شده بر زیرلایه فلزی طلایی رنگ می شوند که این رنگ از مشخصه های معروف پوشش TiN است.
در این مقاله ما روشی ساده برای کنترل انرژی بمباران یونی انجام شده بر روی زیرلایه های عایق ارائه می دهیم. اساس این روش مبتنی بر قرار دادن یک شبکه فلزی در یک فاصله مشخص در مقابل زیرلایه عایق، و اعمال پتانسیل بایاس منفی مورد نظر بر روی این شبکه فلزی است. یونهای مثبت تولید شده از پلاسما در حضور پتانسیل منفی شبکه شتاب می گیرند. هنگامی که این یونها از شبکه عبور می کنند ، وارد یک میدان الکتریکی صفر شده و به سطح زیرلایه نفوذ می کنند. از طرف دیگر ، وجود این شبکه باعث تمیز شدن پلاسما قبل از رسوب نشانی می شود که فرآیندی بسیار سودمند از جهت بهبود کیفیت چسبندگی پوشش است.
برای طراحی یک شبکه کارآمد، ملاحظاتی باید در نظر گرفته شوند. شبکه اگر بیش از حد متراکم باشد می توانند مانع عبور جریان بخار شده و میزان رسوب را کاهش دهد. با این وجود اگر شبکه به اندازه کافی متراکم نباشد، در تولید یک سطح هم پتانسیل خوب ناتوان خواهد بود. از طرف دیگر فاصله قرارگیری شبکه از زیرلایه نقش مهمی دارد. اگر این فاصله بیشتر از مسیر آزاد میانگین باشد (که به فشار کار بستگی دارد) یونها بخشی از انرژی جنبشی بدست آمده در منطقه شتاب دهنده را از دست می دهند. از طرف دیگر، فواصل بسیار کوتاه می تواند باعث عدم یکنواختی (ایجاد اثر “سایه انداختن”) در ضخامت پوشش رسوب نشانی شده شود.
روش شرح داده شده در بالا با موفقیت برای رسوب نشانی فیلم نازک TiN به روش CAE بر روی زیرلایه های عایق ( شیشه و سرامیک) اعمال شده است.
تیتانیم نیترید (TiN) جزو مواد سختی به حساب می آید که کاربرد رایج آن، استفاده به عنوان پوشش تزئینی، پوشش مقاوم به سایش و انواع پوشش های سد کننده در مصارف صنعتی است. پوشش های TiN میتوانند به روش های مختلف PVD و CVD رسوب نشانی شوند. رنگ طلایی مشخص TiN، این ماده را به گزینه ای جذاب برای کاربردهای تزئینی تبدیل کرده است ، هرچند مطابقت دقیق سایه روشن و تنالیته رنگ آن با طلا به دلیل تأثیر پذیری از استوکیومتری و ریزساختار مواد پوشش کاری مشکل است. CAE (تبخیر توسط قوس کاتدی) یک روش رسوب دهی PVD جذاب به دلیل سرعت رسوب زیاد و توانایی تولید یونیزاسیون با درجه بالا است. تأثیر استفاده از مقادیر مختلف بایاس منفی بر روی رنگ پوشش ، خواص مکانیکی و چسبندگی در ادامه مورد بحث قرار گرفته است.
روش تحقیق
پوشش های TiN به روشCAE ، تحت ولتاژهای مختلف بایاس بر روی لایه های سرامیکی رسوب دهی شدند. زیرلایه ها از جنس کاشی های سرامیکی لعابی بودند. یک کاتد فلزی Ti (قطر 2 اینچ) خالص به عنوان ماده منبع استفاده شد. فشار خلا پایه تقریباً 10-6 mbar بود. زیرلایه های عایق بر روی یک نگهدارنده دارای ولتاژ بایاس کنترل شده به شکل یک شبکه فلزی ساخته شده از سیم فولاد ضد زنگ به قطر 0.5 میلی متر و با سوراخ های 5 میلی متر مربعی قرار گرفتند. قبل از رسوب نشانی، زیرلایه سرامیکی به صورت شعاعی تا 300 درجه سانتیگراد گرم شده و به روش پاششی با بایاس منفی 500 ولت تمیز شدند. به منظور بهبود چسبندگی بین لایه ها و پوشش ها ، یک لایه نازک Ti بر روی نمونه ای از سرامیک ها رسوب دهی شد که به اسم Ti + TiN نامگذاری شدند. یک نمونه TiN نیز بدون این که لایه میانی Ti رسوب داده شود نیز برای این مطالعه در نظر گرفته شد که با اسم TiN_200 علامتگذاری شده است. در طول رسوبگذاری پوشش های TiN ، فشار نیتروژن در حد 1.3 ×10-2 mbar نگه داشته شد ، جریان قوس روی A60 ثابت شد. پنج نمونه مختلف با تغییر بایاس منفی زیرلایه بین 50 و 450 ولت (جدول 1) به دست آمد. برای بررسی تأثیر تغییرات بایاس روی خصوصیات پوشش های TiN رسوب داده شده و همچنین به منظور بدست آوردن پوشش هایی با ضخامت های حدود 0.2 میکرو متر، مطابق با پوشش های رایج در کاربردهای تزئینی، زمان تبخیر به مدت 2.5 دقیقه ثابت شد.
میانگین ترکیب شیمیایی پوشش ها توسط طیف سنجی انتشار نوری تخلیه تابشی (GDOES) محاسبه شد. طیف بازتاب نوری و مختصات رنگ نمونه ها با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر Ocean Optics 2000 با بازتاب سنجی طیفی در محدوده cm-1 400-900 بدست آمد. نمونه های پوشش داده شده نور سفید را از یک لامپ هالوژن دریافت کرده و نور منعکس شده بر روی نمونه ها توسط یک فیبر نوری جمع شده و در دستگاه اسپکتروفتومتر تجزیه و تحلیل می شود. فیبر نوری در موقعیت عمود بر سطح نمونه ثابت شده است.
نتایج و بحث
تجزیه و تحلیل پروفایل GDOES در نمونه های Ti + TiN و TiN که در بایاس های منفی مختلف رشد کرده اند، ترکیبی تقریباً نزدیک به استوکیومتری از Tiو N را در پوشش نشان می دهد. وابستگی جزئی مقدار Ti موجود در پوشش به ولتاژ بایاس مشاهده می شود و مقدار Ti با کاهش ولتاژ بایاس اعمال شده به شبکه افزایش می یابد، این اتفاق احتمالاً به دلیل یونیزاسیون بیش از حد وارد شده در پلاسمای نیتروژن به وسیله ی ولتاژ شبکه است. ضخامت فیلم تقریباً 0.25 میکرو متر است که از محاسبه پروفایل عمقی تخمین زده می شود.
شکل۱: بازتابش نوری پوششهای TiN رسوب نشانی شده بر زیرلایه سرامیکی تحت ولتاژ های بایاس مختلف.
همه فیلم های TIN تولید شده بسیار بازتابنده و به رنگ طلایی به نظر می رسند. شکل 1 طیف بازتاب نوری پوشش های Ti + TiN و TiN به دست آمده در ولتاژهای مختلف بایاس منفی شبکه را نشان می دهد. طیف نمونه ها بازتابهای زیادی را برای طول موج های بلند نشان می دهند، بازتاب نوری برای فیلم رشد یافته در ولتاژ بایاس منفی 50 ولت حدود 90% و برای فیلم رشد یافته در ولتاژ بایاس منفی 450 ولت حدود 70% بوده است. این مقادیر بازتاب در این طول موج ها با گزارش های قبلی در تحقیقات همخوانی کامل دارند [3،5]. کاهش قابل توجهی در میزان بازتاب برای طول موج های کوتاه مشاهده می شود که مشخصه سیستمی با تراکم الکترون آزاد زیاد است [6]. رنگ طلایی پوشش TiN در نتیجه لبه بازتاب شدید پلاسما است که در منطقه نوری قابل مشاهده رخ می دهد که حداقل میزان بازتابش حدود 400 نانومتر است [7]. با مشاهده ی طیف بازتاب، اثری ضعیف اما واضح از ولتاژ بایاس منفی بر خصوصیات نوری دیده می شود. با کاهش ولتاژ بایاس، بازتابش پوشش ها در مناطق نزدیک به مادون قرمز بیشتر می شود، در حالی که بازتابش حداقلی در طول موج حدود 450 نانومتر برای همه وشش ها تقریبا برابر است. طول موج غالب و خلوص رنگ هر پوشش از طیف بازتابی تمام نمونه ها محاسبه شده است (جدول 1). طول موج غالب برای تمام نمونه ها بسیار شبیه به هم است( 584-586 نانومتر) و این طول موج بسیار نزدیک به طول موج رنگ طلای خالص (579 نانومتر) است، تفاوت طول موج بدست آمده به سمت رنگ قرمز بوده که با افزایش بایاس منفی افزایش می یابد. خلوص رنگ نیز با ولتاژ بایاس اعمال شده تغییر می کند و در این مطالعه از 84/0 تا 86/0 متغیر بوده است مختصات رنگی نمونه های TiN در شکل 2 آورده شده است و جهت مقایسه، مختصات رنگی طلای خالص نیز نشان داده شده است.
شکل ۲: دیاگرام رنگ برحسب بازتابش در دو جهت x و y, پنج نمونه ی TiN بازتابشی نزدیک با طلای خالص دارند
نقطه آکروماتیک سفید در مختصات(۱/۳, ۱/۳) قرار دارد
نتایج بررسی های رنگ نشان می دهد که نمونه ها در مقایسه با رنگ طلایی، رنگی از خود نشان می دهند که فام آن اندکی به بیشتر سمت قرمز متمایل شده است.
جمع بندی
مشخص شد که استفاده از شبکه فلزی دارای ولتاژ بایاس یک روش ساده و موثر برای کنترل شدت بمباران یونی بر روی فیلم در حال رسوب بر روی لایه های عایق حین پوشش دهی به روش PVD)CAE) است. رنگ همه پوشش ها در نمودار رنگی بسیار نزدیک به نقطه مرجع طلا قرار گرفته و کمی تغییر به سمت رنگ قرمز داشته است که با افزایش ولتاژ منفی زیرلایه این تغییر افزایش می یابد.