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 WCl۶ به وسیله H۲ 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
[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”, ۳th 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.