آشنایی با رسوب­ دهی شیمیایی از بخار ( CVD ) – سی وی دی چیست ؟

اصولا در لایه ­نشانی دو روش کلی رسوب گذاری فیزیکی از فاز بخار و هدف از این مقاله مروری بر مکانیزم عملکرد و اصول کلی فرایند روش رسوب­ دهی شیمیایی از فاز بخار ( CVD ) است. همچنین در این مقاله مزایا و معایب این روش نسبت به سایر روش ها آورده است. روش رسوب گذاری شیمیایی از فاز بخار خود شامل انواع روش هایی است که با توجه ظرافت ها و پیچیدگی های روش قابل انتخاب است.

رسوب­ دهی شیمیایی از بخار (CVD) به فرآیندی گفته می­شود که شامل تجزیه و یا واکنش­های شیمیایی از واکنش­گرهای گازی در یک محیط فعال شده مانند (گرما، نور و پلاسما) می­شود و برای تولید و تشکیل یک محصول جامد پایدار استفاده می­گردد [۱].

این فرآیند متعلق به دسته­ای از فرآیندهاست که انتقالات مواد در آن­ها از طریق گازها صورت گرفته و رسوبات ایجاد شده از آن اتم­ها یا مولکول­ها و یا ترکیبی از آن­ها می­باشد [۲].

رسوب گذاری شامل واکنش­های همگن گازی و یا واکنش­های شیمیایی غیرهمگن در مجاورت یک سطح حرارت داده شده می­باشد و در اثر این واکنش­ها به ترتیب پودرها و لایه­هایی به دست می­آید [۱].

این روش رسوب گذاری اتمی می­تواند موادی با خلوص بسیار بالا ایجاد کند که ساختار آن تا مقیاس اتمی یا نانومتری قابل کنترل می­باشد. علاوه بر این، فرآیند CVD می­تواند موادی تک لایه، چند لایه، کامپوزیت، نانو ساختار و پوشش­هایی با ساختار دانه بندی معین با کنترل ابعادی بسیار عالی و ساختار یک­نواخت در فشارهای پایین تولید کند [۱].

رسوب­ دهی شیمیایی از بخار ( CVD ) یک فرآیند مناسب برای ساخت و تولید پوشش­ها، پودرها، فیبرها و اجزاء یک­پارچه می­باشد. با این روش تولید اغلب فلزات، تعدادی از عناصر غیر فلزی مثل کربن و سیلیسیم و هم­چنین تعداد زیادی از ترکیبات شامل کاربیدها، نیتریدها، اکسیدها، ترکیبات بین فلزی و غیره ممکن است. این تکنولوژی اکنون یکی از فاکتورهای ضروری در ساخت نیمه رساناها و دیگر اجزاء الکترونیکی، پوشش ابزارها، یاتاقان­ها، قطعات مقاوم به سایش و خوردگی و وسایل نوری می­باشد [۲].

تاریخچه رسوب دهی شیمیایی از بخار – CVD

CVD یا رسوب دهی شیمیایی از بخار جزء تکنیک­هایی است که به طور نسبی پیشرفت زیادی داشته است. تشکیل دوده به دلیل اکسیداسیون ناقص هیزم در حال سوختن، در زمان­های ما قبل تاریخ احتمالا قدیمی­ترین نمونه رسوب گذاری با استفاده از CVD می­باشد. بهره برداری صنعتی از CVD به مقاله de Lodyguine در سال ۱۸۹۳ مربوط می­شود که تنگستن (W) را بر روی رشته­های لامپ کربنی از طریق کاهش WCl_۶ به وسیله H_۲ رسوب داده بود. در این دوره فرآیند CVD به عنوان یک فرآیند صنعتی اقتصادی در زمینه استخراج و پایرومتالورژی برای تولید فلزات دیرگداز با خلوص بالا مانند Ti، Ni، Zr و Ta گسترش داده شده بود [۱].

در ۴۰ سال گذشته کاربردهای CVD به طور فزاینده­ای رشد داشته است. تکنیک CVD اخیرا در ابعاد جدید با تکیه بر جنبه­های رسوب گذاری کاربردهای بسیار زیادی پیدا کرده است. تغییر کاربرد فرآیند CVD از استخراج به رسوب گذاری باعث شده است که فرآیند CVD یک تکنیک مهم در پوشش­دهی، برای تولید لایه­های نازک نیمه هادی­ها و پوشش­هایی با خصوصیات سطحی بهبود یافته مانند محافظت در برابر سایش، خوردگی، اکسیداسیون، واکنش­های شیمیایی، شک حرارتی و جذب نوترون به حساب آید [۱].

در اوایل سال ۱۹۷۰، فرآیند CVD موفقیت­های عمده­ای در ساخت نیمه هادی­های الکترونیکی و پوشش­های محافظ برای مدارهای الکترونیکی به دست آورد. این موفقیت­ها باعث گسترش سریع تکنولوژی CVD در حوزه­های دیگر مانند فرآیندهای سرامیکی شد به خصوص در سرامیک­های پیشرفته برای ساخت ابزارهایی که در دماهای بالا مانند مته­ها، تیغه­های توربین، کامپوزیت­های مقاوم شده با الیاف و سلول­های خورشیدی را فراهم کرده است. امروزه، تکنولوژی CVD اهمیت فزاینده­ای در زمینه­های هوافضا، نظامی، علم و مهندسی پیدا کرده است [۱].

 کاربردهای حاضر تکنولوژی رسوب دهی شیمیایی از بخار –  CVD می ­تواند در ۴ دسته مهم طبقه بندی گردد:

• استخراج و پایرومتالورژی
• مواد الکترونیک و اپتوالکترونیک
• پوشش­های تغییر دهنده خواص سطحی
• فیبرهای سرامیکی و کامپوزیت­های زمینه سرامیکی [۱]

 اصول کلی فرآیند CVD و مکانیزم رسوب گذاری

به طور معمول، فرآیند CVD از چندین مرحله تشکیل می­شود. شکل ۲ نمایی از دستگاه CVD و واکنش­هایی که در حین فرآیند اتفاق می­افتد را نشان می­دهد.

مراحل مختلفی که در حین فرآیند CVD رخ می­دهد عبارتند از:

• تولید انواع واکنش­گرهای گازی فعال
• انتقال انواع گازها به درون محفظه واکنش
• واکنش­گرهای شیمیایی تحت واکنش­های گازی قرار گرفته و انواع فازهای میانی تشکیل می­گردد:

الف) در دماهای بالاتر از درجه حرارت تشکیل فازهای میانی درون محفظه، واکنش­های گازی همگن می­تواند روی دهد. در اثر این واکنش­ها پودرها و محصولات فرعی فرار تشکیل می­شوند. پودرها بر روی سطح نمونه قرار گرفته و می­توانند به عنوان هسته جدید شروع به رشد کنند. محصولات فرعی از محفظه رسوب گذاری خارج می­گردند. این نوع رسوب گذاری معمولا پوشش­هایی با چسبندگی ضعیف ایجاد می­کند.

ب) در درجه حرارت­های پایین­تر از دمای تجزیه فاز میانی، نفوذ انواع فازهای میانی در عرض لایه مرزی (یک لایه نازک نزدیک به سطح زیر لایه) اتفاق می­افتد. این فازهای میانی بعدا مراحل ۴-۷ بر روی آن­ها انجام می­شود.

• جذب واکنش­گرهای گازی بر روی زیر لایه حرارت داده شده، و واکنش ناهمگن در فصل مشترک گاز و جامد اتفاق می­افتد (مانند زیر لایه حرارت داده شده) که رسوب و انواع محصولات فرعی را تولید می­کند.
• رسوب­ها در امتداد سطح زیر لایه حرارت داده شده برای تشکیل مراکز کریستالی و رشد لایه نفوذ می­کنند.
• محصولات فرعی گازی از لایه مرزی از طریق نفوذ و همرفت بر طرف می­گردد.
• واکنش­گرهای گازی واکنش نداده و محصولات فرعی به خارج از محفظه رسوب گذاری انتقال داده می­شوند.

برای رسوب گذاری لایه­های فشرده و پوشش­ها، شرایط فرآیند باید به گونه­ای باشد که واکنش­های ناهمگن بیش­تر صورت گیرد. در حالی که، یک ترکیب از واکنش­های همگن و ناهمگن برای رسوب گذاری پوشش­های متخلخل ترجیح داده می­شود [۲].

فواید و مضرات CVD

با وجود این که CVD یک سیستم شیمیایی پیچیده به شمار می­رود، ولی فواید ممتاز فراوانی دارد که عبارتند از:

• این روش قابلیت تولید مواد خالص و دارای فشردگی بالا را دارد [۴].
• فرآیند CVD می­تواند لایه­های یکنواخت با قابلیت ساخت مجدد عالی و چسبندگی معقول در سرعت­های رسوب گذاری بالا ایجاد نماید [۵].
• CVD فرآیندی است که نیروی پرتاب بالایی دارد و رسوب گذاری در آن بر خلاف روش­های پراکنشی، تبخیری و دیگر فرآیندهای PVD که رسوب گذاری در آن­ها به صورت جهت­دار صورت می­پذیرد، جهت­دار نمی­باشد. بنابراین می­تواند برای پوشش دادن شکل­های پیچیده و رسوب لایه­های با تطبیق پذیری عالی به کار برده شود. گودی­های عمیق، سوراخ­ها، و دیگر شکل­های سه بعدی پیچیده معمولا با استفاده از روش CVD به راحتی می­تواند پوشش داده شود و این ویژگی فرآیند CVD باعث برتری آن نسبت به PVD می­باشد [۶].
• در این روش با کنترل پارامترهای فرآیند CVD می­توان ساختار کریستالی، مورفولوژی سطح و جهت گیری محصولات CVD را کنترل نمود.
• در فرآیند CVD سرعت رسوب گذاری به راحتی می­تواند تنظیم شود. سرعت رسوب گذاری پایین برای رشد لایه­های نازک همبافته[۱] برای کاربردهای میکروالکترونیک مناسب می­باشد. با این وجود، برای رسوب گذاری پوشش­های ضخیم که کاربرد محافظتی دارند، یک سرعت رسوب گذاری بالا ترجیح داده می شود و می­توان سرعت را تا ده­ها میکرومتر بر ساعت افزایش داد [۱].

• تکنیک­های متداول CVD دارای هزینه­ های نسبتا پایینی می­باشند [۱].
• انعطاف پذیری این روش در کاربرد وسیعی از واکنش­گرهای شیمیایی مانند هالیدها، هیدریدها و غیره که قادر به رسوب گذاری در یک طیف بزرگی از مواد شامل فلزات، کاربیدها، نیتریدها، اکسیدها، سولفیدها و غیره می­باشد [۲].
• درجه حرارت رسوب گذاری نسبتا پایین می­باشد، و به همین دلیل فازهای مطلوب می­تواند رسوب گذاری شود. هسته گذاری و رشد مواد روی سطح زیر لایه در واکنش­های گازی با انرژی کم انجام می­گردد و این قادر می­سازد که مواد دیرگداز در درصد کمی از درجه حرارت ذوب­شان رسوب گذاری شوند [۱].

با این وجود، مضرات رسوب دهی شیمیایی از بخار – CVD شامل موارد زیر می­شود:

• در این روش به خاطر استفاده از گازهای واکنش دهنده سمی، خورنده، قابل اشتعال و یا منفجره امنیت و سلامت به مخاطره می­افتد و باید در هنگام خروج از سیستم جمع آوری شده و با روش­های خاصی از بین برده شوند که خود این فرآیندها هزینه­های فراوانی را تحمیل می­نماید [۷].
• در این روش به طور معمول از چند منبع که دارای مواد اولیه مختلف می­باشند برای ایجاد پوشش­های چند جزئی استفاده می­شود. از آن جایی که سرعت بخار شدن هر یک از مواد اولیه مورد استفاده در فرآیند با یکدیگر متفاوت است استوکیومتری محصولات به راحتی قابل کنترل نمی­باشد. با این وجود، این محدودیت می­تواند با استفاده از واکنش­گرهای شیمیایی تک منبعی بر طرف گردد. در این روش اگر تغییرات در حین فرآیند صورت پذیرد سیستم خود را با آن تطبیق داده و سازگار می­کند. به دلیل انعطاف پذیری این فرآیند با تغییرات درحین کار، پوشش­های ایجاد شده به این روش نیز در حین رسوب گذاری تغییر کرده و ترکیبات متنوعی حاصل می­گردد [۶].
• استفاده از راکتورهای پیچیده و یا سیستم خلاء در انواع مختلف فرآیندهای CVD باعث افزایش هزینه­های تولید می­گردد [۱].
• این فرآیند در درجه حرارت­های بالا مورد استفاده قرار می­گیرد و به همین دلیل موادی که پایداری حرارتی بالایی ندارند به این روش نمی­توان پوشش­دهی شوند [۱].

 

 نتیجه گیری:

مهندسی سطح یکی از تکنولوژیهای پیشرفته جهت توسعه و بهبود کیفیت مواد و قطعات به شمار می­رود. از این رو برای بهبود خواص قطعات، اعم از خوردگی، سایشی و غیره به روشهای مختلف استفاده می شود. روش رسوب گذاری شیمیایی فاز بخار یکی از روشهای نسبتا پیش رو و گسترده در عرصه پوشش­دهی بشمار می­رود. در این مقاله که تاکیدی بر این روش بود، نسبت به روش رسوبگذاری فیزیکی از فاز بخار مزایایی دارد (چسبندگی بالاتر و امکان پوشش قطعات پیچیده) که این امر مهندسان سطح را با روش­های و کارکردهای مختلف مواجه می­سازد.

 

 مراجع

 

[۱] H O. Pierson, “HANDBOOK OF CHEMICAL VAPOR DEPOSITION(CVD) Principles, Technology, and Applications”, ۲^th Ed, NOYES PUBLICATIONS Park Ridge, New Jersey, U.S.A, 2001.

[۲] K. L. Choy, “Chemical vapour deposition of coatings”, Progress in Materials Science 48 (2003) 57–۱۷۰.

[۳] http://ipn2.epfl.ch/CHBU/images/cvd.gif.

[۴] E. Badisch, M. Stoiber, G.A. Fontalvo, C. Mitterer, “Low-friction PACVD TiN coatings: influence of Cl-content and testing conditions on the tribological properties”, Surface and Coatings Technology 174 –۱۷۵ (۲۰۰۳) ۴۵۰–۴۵۴.

[۵] ASM, “Metals Handbook”, ۳^th Ed, Vol 18, 840-849.

[۶] K. S. Mogensen, N. B. Thomsen, S. S. Eskildsen, C. Mathiasen, J. Bottiger, “A parametric study of the microstructure,mechanical and tribological properties of PACVD TiN coating”, Surface & Coatings Technology 99 (1998) 140-146.

[۷] K. S. Mogensen, N. B. Thomsen, S. S. Eskildsen, C. Mathiasen, J. Bottiger; “A parametric study of the microstructure,mechanical and tribological properties of PACVD TiN coating”; Surface and Coatings Technology 99 (1998) 140-146.

برگرفته از پایان نامه کارشناسی ارشد، حمید مطهری/رسول ملک فر، دانشگاه تربیت مدرس.