معرفی 0 تا 100 فناوری رسوب گذاری فیزیکی از فاز بخار (پوشش دهی PVD)

فناوری های جدیدمقالات علمی
پوشش pvd

هدف از تدوین این مقاله معرفی انواع دستگاه­های رسوب گذاری فیزیکی از فاز بخار (پوشش دهی PVD) برای کاربردهای صنعت تزئینی (دکوری) و بررسی قابلیت­های فنی آنها می­باشد. با توجه به ضرورت حفظ محیط­زیست، روش­های سنتی آبکاری الکتریکی از جمله آبکاری کروم و کادمیوم رو به زوال است و روش­های دوست­دار محیط زیست مانند PVD این امکان را فراهم ساخته تا جایگزین مناسبی برای روش­های قدیمی باشد. با توجه به وجود چندین تکنیک متفاوت در فناوری PVD، لازم است صنعتگران محترم با تفاوت­ها فنی و تجاری آنها آشنا شوند. دستیابی به رنگ­های متنوع، جنس زیرلایه، جنس پوشش، خواص مدنظر و پایداری و دوام آن تعیین می­کند که کدام روش برای صنعت شما، بهترین تجهیز و دستگاه خواهد بود. به­عنوان مثال دستگاهی که برای ایجاد رنگ طلایی بر کاشی استفاده می­شود، یا دستگاهی که برای پوشش داخل کاسه چراغ بکار گرفته می­شود و با دستگاهی که برای تولید آیینه بغل خودرو می­باشد، متفاوت است. قاعدتا انتظار است با مطالعه این مقاله، نسبت به حوزه انواع دستگاه­های PVD اشراف خوبی پیدا کنید.

1- مقدمه

دسته­بندی جامع برای انواع روش­های لایه­نشانی، دسته­بندی بر مبنای حالت ماده اولیه می­باشد. از این­رو با توجه به حالت مواد اولیه (جامد، مایع، بخار) مورد استفاده در لایه­نشانی، روش­های متنوعی برای ایجاد پوشش­ها ابداع شده است. در برخی موارد مانند روش­های سل-ژل، آبکاری الکتریکی و اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی مواد اولیه در حالت مایع هستند. در روش­های دیگر مانند اسپری پلاسمایی و HVOF مواد اولیه به­صورت جامد یا نیمه­مذاب می­باشند و بالاخره در روش­های CVD و PVD ماده اولیه مورد استفاده به شکل فاز بخار (گازی) می­باشد. برای دستیابی به هدف مشخص در این مقاله، صرفاً به روش­هایی تأکید شده است که ماده اولیه به­صورت فاز بخار باشند. شکل 1 دسته­بندی روش­های لایه­نشانی بر مبنای حالت مواد اولیه مورد استفاده آمده است.

دسته بندی روش های لایه نشانی بر مبنای حالت مواد اولیه مورد استفادهگستره کاربرد پوشش­های اعمالی به روش PVD بسیار وسیع است. از پوشش­دهی بر قطعات پلاستیکی در دما محیط گرفته تا پوشش­های سرامیکی و کاربید فلزی در حدود 500 درجه سانتی‌گراد، با این روش اعمال می­شود. در مقابل در روش CVD حرارتی (متداول)، به دمای فرآیند حدود 900 تا 1100 درجه سانتی‌گراد نیاز است که دارای محدودیت­های بسیار جدی برای استفاده صنعتی می­باشد. از سوی دیگر فرآیند PACVD بر اساس فعال­سازی واکنش شیمیایی به­وسیله تهییج پلاسمایی بنا شده است. پوشش­های سخت متداول مانند TiN و TiCN در دماهای قابل‌ توجه کمتر (در محدود 500 درجه سانتی‌گراد) قابل لایه­نشانی می­باشد و همچنین لایه­های DLC صرفاً به دمایی در محدوده 150 تا 200 درجه سانتی­گراد نیاز است.

در شکل 2 مقایسه چندین روش مختلف لایه­نشانی CVD و PVD بر حسب دماهای مختلف لایه­نشانی و فشار محفظه آمده است. همانطورکه از نمودار مشخص است، روش PVD و PACVD در دماهای نسبتاً پایین­تری از دیگر روش­ها عمل می­کند. از این‌رو بیشترین استقبال در صنعت از این دو روش شده است.

مقایسه چندین روش مختلف لایه نشانی بر مبنای دمای فرآیند و فشار محفظه

با توجه به محدودیت جدی روش CVD از جمله دمای بالای پوشش­دهی، آلودگی زیست محیطی و محدود بودن طیف رنگی، از این فرایند کمتر در صنعت دکوراسیون استفاده می­شود. لذا اصلی­ترین روش برای ایجاد پوشش­های رنگی برای کاربردهای صنعت تزئینی روش رسوب­گذاری فیزیکی از فاز بخار (PVD) می­باشد که در این مقاله صرفا به جزئیات این فناوری پرداخته شده است.

2- سازوکار عملکرد در فرآیندهای پوشش دهی PVD

عبارت PVD به مجموعه­ای از فرآیندهای فیزیکی اطلاق می­شود که با استفاده از فاز بخار برای اعمال پوشش بکار برده می­شود. روش رسوب­گذاري فيزيکي از فاز بخار شامل چندين تکنیک متفاوت است که داراي سازوکار‌های نسبتاً مشابهي هستند. در بخش بعد در مورد روش­های مختلف لایه ­نشانی به روش PVD توضیحات بیشتری آورده شده است. در این فرآیند، رشد لایه به­وسیله مکانیزیم تبخیر یا کندوپاش به­ همراه اتم­های تهیه ­شده، مولکول­ها و یا یون­ها که در پلاسما تولید شده است شکل می­گیرد، اتفاق می­افتد. هدف از این فرآیند، ایجاد لایه­ های نازک متشکل از فلزات اولیه، آلیاژها، نیتریدها، اکسیدها، کاربیدها، بورایدها و یا ترکیبی از آن‌ها می­باشد.

در رسوب­ گذاري به­روش تبخير فيزيکي یا PVD، پوشش­ها از طريق چگالش عناصر و ترکيب­ها از فاز گازي روي سطوح جامد توليد مي­شوند. تبخير در خلاء، عمومي­ترين روش تهيه لايه­هاي خالص و تحت شرايط نسبتاً کنترل‌شده است. اصول اين روش عموماً بر اساس مبانی فيزيکي پايه­ريزي مي­شود، اما PVD ممکن است در بعضي موارد با واکنش­هاي شيميايي نيز همراه باشد. بعضي از اين واکنش­هاي شيميايي عمدتاً در فناوري پوشش ­دهی لايه­ هاي خاص به کار مي­روند. رسوب­ گذاري فيزيکي از فاز بخار شامل مراحل ذيل است:

الف) تبديل ماده هدف (تارگت) به حالت گازي از طريق تبخير یا تصعيد و يا کندوپاش

ب) انتقال اتم­ها (مولکول­ها) از چشمه تبخير به زيرلايه، در فشار کاهش­يافته

ج) رسوب اين ذره­ها روي قطعات

د) رشد پوشش روي سطح قطعات.

در حالت کلي­تر سازوکار‌های اصلي در فرآیند رسوب­گذاري فيزيکي از فاز بخار، عبارتنداز جدا کردن اتم از سطح به طريقي (اشعه، باریکه الکتروني، حرارت، قوس الکتریکی و غيره) و يا اينکه يوني (مثلا یون آرگون) به سطح برخورد کرده و سبب پرتاب اتم از ماده هدف به سمت زیرلایه و در نتیجه تشکیل لایه می­شود که طرح­­واره اجزای دستگاه PVD و نحوه قرار گیری نمونه­ها در شکل 3 آمده است.

طرح واره ای از روش رسوب‌گذاری فیزیکی از فاز بخار (PVD) و نحوه قرارگیری نمونه ها3- مراحل پوشش ­دهی در روش PVD

مراحل پوشش­دهی در کلیه روش­های PVD نسبتا مشابه می­باشد. لذا مطابق شکل 3 مراحل پوشش­دهی خلاصه­وار به شرح ذیل است:

  • مرحله اول: تمیزکاری و شستشو قطعات (اعم از اسیدشویی، چربی­گیری). تقریبا مشابه شستشو در آبکاری الکتریکی اما با دقت بیشتر.
  • مرحله دوم: چیدن قطعات در فیکسچرهای مخصوص و قراردادن آنها در داخل محفظه. دقت شود که نباید قطعات روی یکدیگر سایه بیاندازند و یا قطعات حین پوشش­دهی بیافتند.
  • مرحله سوم: ایجاد خلاء مناسب با استفاده از پمپ­های روتاری، روتس و نفوذی. قاعدتا اگر در دستگاه نشتی وجود داشته باشد، حتما باید نشت­یابی شود.
  • مرحله چهارم: دادن دما برای قطعات فلزی و سرامیکی. قاعدتا مجاز به دما دادن به قطعات پلاستیکی نمی­باشید.
  • مرحله پنجم: اعمال فرایند پوشش­دهی در طیف رنگ­های مختلف (بر اساس پروتکلی که سازنده دستگاه ارایه داده است.)
  • مرحله ششم: تخلیه، بازبینی و کنترل کیفی و تحویل به مشتری. قاعدتا اگر کیفیت پوشش قطعات مطلوب نباشد بایستی لایه­برداری و پوشش­دهی مجدد شود.

همانطور که عرض شد، تنوع روش­های PVD زیاد است، اما با توجه به مخاطبان این نشریه، صرفا در ادامه روش­های تجاری و پرکاربرد توضیح داده خواهد شد.

4- معرفی برخی روش­ های تجاری پوشش دهی PVD

4-1- روش تبخیر حرارتی

در فرآیند تبخیر حرارتی برای ذوب فلزاتی نظیر آلومینیوم و مس که نقطه ذوبی کمتر از 1500 درجه سانتی­گراد دارند، از فيلامان رشته­ای تنگستنی استفاده می­شود. بدين صورت که بعد از رسیدن فشار محفظه به محدوده 5-10 تور، از طریق الکترود مسی (دارای آبگرد)، جریان بالایی (در حدود 100 تا 200 آمپر) به بوته تنگستنی اعمال شده و موجب تبخیر مواد هدف (تارگت) که در داخل بوته قرار گرفته است، می­شود. لذا مطابق شکل 4، با تبخیر مواد هدف، پوشش نازکی از فلز بر قطعات تشکیل شود. از عواملي که سبب کنترل سرعت رسوب­گذاري در اين روش خواهند شد، دماي ذوب ماده هدف، مقدار جریان اعمالی و فشار محفظه است.

طرح واره ای از روش رسوب گذاري فيزيکي از فاز بخار با استفاده از تبخیر حرارتيشکل 4- طرح­واره­ای از روش رسوب­گذاري فيزيکي از فاز بخار با استفاده از تبخیر حرارتي.

لازم به ذکر است که در این روش صرفاً دمای بوته افزایش می­یابد و مواد تبخیری دمای چندانی نداشته و تاثیری در افزایش دمای زیرلایه را نخواهد داشت. لذا از این روش، می­توان برای لایه­نشانی قطعات با نقطه ذوب پایین از جمله قطعات پلاستیکی استفاده نمود.

الف) مزایای روش تبخیر حرارتی

  • تجهیزات و سامانه ارزان­قیمت نسبت به سایر روش­های PVD
  • مواد هدف (تارگت) ارزان­قیمت و در دسترس
  • سرعت لایه­نشانی قابل کنترل
  • پایین بودن دمای محفظه در حین فرآیند (امکان لایه­نشانی روی قطعات پلاستیکی)

ب) معایب روش تبخیر حرارتی

  • تراکم کم پوشش به دلیل پایین بودن انرژی مواد تبخیر شده ( eV5/0-1/0)
  • چسبندگی ضعیف مواد لایه­نشانی شده به زیرلایه
  • امکان حضور ناخالصی جزئی از مواد بوته به ترکیب شیمیایی پوشش
  • عدم امکان پوشش­دهی رنگ­های متنوع از جمله طلایی و رزگلد

ج) کاربردهای صنعتی روش حرارتی

علی­رغم چسبندگی ضعیف این روش، استفاده از این پوشش در مواردی که قطعه پوشش­شده در دسترس و در مواجهه با سایش قرار نداشته مناسب و کاربردی می­باشد. به­عنوان مثال پوشش­دهی فلز آلومینیوم بر جداره داخلی کاسه چراغ اتومبیل و پرژکتور با هدف افزایش بازتاب بیشتر نور استفاده می­شود. همچنین از این روش برای پوشش­دهی مواد رسانا نظیر طلا و مس بر مدارات الکترونیکی استفاده می­شود.

4-2-تبخیر قوس کاتدی

در فرآیند تبخیر قوس کاتدی یا Arc-PVD، در محیط خلاء تخلیه الکتریکی بین دو الکترود (آند و کاتد) اتفاق می‌افتد. متوسط جریانی لازم است تا یکی از الکترودها به‌صورت یونیزه شده و تبخیر شود. در این روش، فرآیند تبخیر ممکن است بر کاتد یا بر آند صورت گیرد. روش PVD قوسی کاتدی از جمله روش­هایی است که هم­اکنون در صنعت مورد استفاده تجاری زیادی قرار دارد.

در روش تبخیر قوس کاتدی، تشکیل قوس الکتریکی همانند سامانه جوشکاری می­باشد. در این روش بعد از اعمال جریان بالا و فعال شدن قوس الکتریکی بر سطح ماده هدف (کاتد)، ماده هدف یونیزه شده و اتم­های یونیزه به سمت قطعات شتاب می­گیرند. در صورت حضور گاز واکنشی از جمله N2 در اتمسفر محفظه، موجب تشکیل ترکیب نیترید فلزی روی قطعه خواهد شد. طرح­واره­ای از فرآیند تبخیر قوس کاتد برای لایه­نشانی پوشش چندلایه TiN/TiAlN در شکل 5 نشان داده شده است.

یونیزاسیون و انرژی یون ذرات رسوب، در سرعت واکنش که بر زیرلایه در فرآیندهای مبتنی بر پلاسما از جمله تبخیر قوس کاتدی انجام می­شود، نقش مهمی را ایفا می­کند. درصد یونیزاسیون در روش قوس کاتدی نسبت به سایر روش­های لایه­نشانی بالا می­باشد. انرژی یون­های تبخیر شده در روش قوس کاتدی 50 تا 100 الکترون­ولت، در روش کندوپاش 2 تا 10 الکترون­ولت و روش تبخیر حرارتی 1 تا 1/0 الکترون­ولت می­باشد. از این­رو یکی از روش­های لایه­نشانی با سرعت بالا و چسبندگی مناسب مربوط به روش تبخیر قوس کاتدی می­باشد.

با توجه به جنس ماده هدف، برای تبخیر آن از منبع تغذیه با ولتاژ 15 تا 50 ولت و جریان الکتریکی 30 تا 400 آمپر مورد نیاز است. پس از تشکیل قوس بر سطح ماده هدف، به­دلیل دما موضعی بسیار بالای در حدود 15 هزار درجه سانتی­گراد، مواد هدف تبخیر می­شود. در این فرآیند تشکیل عیوب سطحی (بنام ماکروپارتیکل­ها) بر کیفیت پوشش تاثیرگذار می­باشد.

طرح واره ای از سامانه فرآیند تبخیر قوس کاتدیالف) مزایای روش تبخیر قوس کاتدی

  • امکان لایه­نشانی انواع رنگ­های متنوع از نقره­ای، طلایی و رزگلد گرفته تا خاکستری و مشکی
  • به دلیل بالا بودن انرژی اتم­های تبخیری، چسبندگی و تراکم مناسب پوشش به زیرلایه
  • سرعت لایه ­نشانی نسبتا بالا و صنعتی بودن روش

ب) معایب روش تبخیر قوس کاتدی

  • وجود نقص در پوشش به دلیل حضور ماکروذرات (که باعث زبری جزیی سطح پوشش می­شود)
  • عدم امکان استفاده از تارگت­های نارسانا و نیمه­هادی در این روش
  • افزایش دمای سطحی پوشش (عدم امکان لایه­نشانی پلاستیک­ها)

ج) کاربردهای صنعتی روش تبخیر قوس کاتدی

به­دلیل مزایای فوق­الذکر، روش تبخیر قوس کاتدی به عنوان یکی از فناوری­های پرکاربرد صنعتی می­باشد که در دنیا و ایران جای خود را در صنعت پوشش باز کرده است. برای این روش، دو دسته کاربردهای صنعتی  وجود دارد:

  • کاربردهای مهندسی که امکان لایه نشانی قالب­ها، ابزارها و قطعات صنعتی را فراهم می­کند.
  • کاربردهای تزئینی که برای ایجاد پوشش­های دکوری با تنوع رنگی بالا و دوام عالی مورد استفاده صنایع و شرکت­ها می­باشد.

4-3- فرایند کندوپاش یا اسپاترینگ

فرآیند کندوپاش، شامل کندن اتم­ها به­وسيله گاز یونیزه کندوپاش­کننده (مانند گاز آرگون) از سطح ماده هدف و نشاندن آن بر زيرلايه است (مطابق شکل 6). در فرآیند کندوپاش، پلاسما نقش بسزایی در کندن اتم از سطح دارد.

مراحل مختلفي که در فرآیند کندوپاش صورت مي­گيرد، به شرح ذيل است:

  • يونيزه شدن اتم­هاي گاز آرگون، به دلیل وجود اختلاف پتانسيل بالا بين کاتد و آند،
  • برخورد شدید يون­هاي آرگون مثبت به سمت پتانسيل منفي (محل قرارگيري ماده هدف)
  • بمباران ماده هدف توسط يون­هاي آرگون و پرتاب اتم­های تارگت به سمت زیرلایه
  • در نتیجه تشکیل لایه‌نازک موردنظر بر زیرلایه

همچنين الکترون­هاي ثانویه و آزاد موجود در محفظه با اتم­هاي آرگون برخورد نموده و يون­هاي بيشتری توليد مي­کند که موجب توليد بيشتر پلاسما در فرآیند کندوپاش خواهد شد.

طرح واره ای از فرآیند کندوپاش واکنشی براي ايجاد پوشش اکسید فلزی.الف) مزایای روش کندوپاش

  • امکان لایه­نشانی انواع رنگ­های متنوع از نقره­ای، طلایی و رزگلد گرفته تا خاکستری و مشکی
  • پوشش­دهی نسبتا صاف و متراکم بر سطوح از جنس­های مختلف

ب) معایب روش کندوپاش

  • سرعت نسبتا پایین روش کندوپاش نسبت به روش تبخیر قوس کاتدی
  • نیازمند تارگت­های حجیم و بزرگ در دستگاه
  • در مقایسه با روش تبخیر قوس کاتدی، چسبندگی ضعیف­تری دارد

ج) کاربردهای صنعتی روش کندوپاش

با توجه به کیفیت مناسب سطحی از این روش برای پوشش­دهی تولید آینه­های بغل خودرو استفاده می­شود. همچنین به دلیل سرعت پایین این روش، برای تولید شیشه­های رفلکت نیز مورد استفاده قرار می­گیرد.

جمع بندی:

با توجه به تقاضای مشتریان به لوازم و قطعات تزئینی، لازم است تولیدکنندگان با توجه به تقاضای بوجود آمده بتوانند با فناوری­های بروز پاسخگو باشند. نیازمندی به رنگ­های متنوع، بادوام و تکرارپذیر یکی از تقاضاهای صنعت می­باشد. پوشش­دهی با روش پوشش دهی فیزیکی از فاز بخار (PVD) نزدیک به یک دهه است که در کشور مورد توجه صنعتگران عزیز شده است. با توجه به تخصصی بودن موضوع و تنوع بسیار زیاد فناوری­های زیرمجموعه PVD سعی شد در این مقاله، مکانیزیم عملکرد دستگاه، دسته بندی روشهای تجاری ذکر شود. قاعدتا در صورت نیاز به مشاوره فنی و تجاری، نگارنده می­تواند در خدمت صنعتگران محترم باشد. امیدوارم که نکات فوق که هرچند خلاصه است، بتواند حداقل اطلاعات اولیه را برای شما ارایه داده باشد.

مرجع:

مقاله حاضر، برگرفته از کتاب نگارنده با عنوان «مهندسی نانوپوشش سخت و مقاوم» می­باشد که در صورت علاقمندی برای کسب اطلاعات بیشتر می­تواند آنرا از کتاب فروشی ­های معتبر تهیه فرمایید.

نوشتهٔ پیشین
فناوری PVD جایگزین مناسب برای آبکاری کروم سخت
نوشتهٔ بعدی
کسب دانش فنی بومی پوشش های پیشرفته بر قطعات توربین گازی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

این فیلد را پر کنید
این فیلد را پر کنید
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.

keyboard_arrow_up