معرفی 0 تا 100 فناوری رسوب گذاری فیزیکی از فاز بخار (پوشش دهی 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 به_­صورت فاز بخار باشند. شکل 1 دسته­بندی روش­های لایه­نشانی بر مبنای حالت مواد اولیه مورد استفاده آمده است.

گستره 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.

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.

3- 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.

شکل 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.

الف) 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.

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.