مرزهای تکنولوژیکی: پوشش های مختلف تبخیر و پوشش های کندوپاش

تکنولوژی پوشش خلاءکه به اختصار PVD نامیده می شود، تکنیکی است که از روش های فیزیکی برای تبخیر سطح منبع ماده به اتم ها، مولکول ها یا یون ها در شرایط خلاء استفاده می کند و یک لایه نازک با عملکرد خاص خاصی را روی سطح بستر می گذارد. فناوری پوشش تجهیزات پوشش خلاء عمدتاً به سه دسته تقسیم می شود: رسوب بخار، کندوپاش و آبکاری یونی. سه نوع تکنولوژی پوشش تبخیری وجود دارد: تبخیر مقاومتی، تبخیر پرتو الکترونی و تبخیر گرمایش القایی.
سه جهت اصلی برای فناوری پوشش در تجهیزات پوشش خلاء وجود دارد: فناوری پوشش تبخیری، فناوری پوشش یونی و تجهیزات پوشش کندوپاش مگنترون. هر فناوری پوشش مزایا و معایب خاص خود را دارد و زیرلایه ها و اهداف مختلف با فناوری های مختلف پوشش دهی می شوند.

فناوری پوشش تبخیر مقاومتی از فناوری پوشش تبخیر منبع تبخیر گرمایش مقاومتی استفاده می کند که به طور کلی برای تبخیر مواد با نقطه ذوب پایین مانند آلومینیوم، طلا، نقره، سولفید روی، فلوراید منیزیم، تری اکسید کروم و غیره استفاده می شود. مقاومت های گرمایشی عموما از تنگستن، مولیبدن، تانتالیوم و غیره ساخته می شوند. مزایای منحصر به فرد، ساختار ساده و هزینه کم. عیب: این ماده مستعد واکنش با بوته است و بر خلوص لایه نازک تأثیر می گذارد و نمی تواند لایه های نازک دی الکتریک با نقطه ذوب بالا را تبخیر کند. نرخ تبخیر پایین

آبکاری تبخیر مقاومتی تبخیر پرتو الکترونی یک فناوری است که از گرمایش پرتو الکترونی با سرعت بالا برای تبخیر و تبخیر مواد استفاده می‌کند و سپس به صورت لایه‌ای بر روی سطح زیرلایه متراکم می‌شود. چگالی انرژی منبع گرمایی پرتو الکترونی می تواند به 104-109w/cm2 برسد و به بیش از 3000 درجه برسد. می تواند فلزات با نقطه ذوب بالا یا مواد دی الکتریک مانند تنگستن، مولیبدن، ژرمانیوم، SiO2، AL2O3 و غیره را تبخیر کند.
اصل اصلی تبخیر پرتو الکترونی این است که در یک محیط خلاء بالا، الکترون‌های پرانرژی ساطع شده توسط تفنگ الکترونی سطح ماده مورد نظر را تحت تأثیر میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی بمباران می‌کنند و انرژی جنبشی را به انرژی گرمایی تبدیل می‌کنند. ماده مورد نظر گرم می شود، مذاب می شود یا مستقیماً تبخیر می شود و یک لایه نازک روی سطح زیرلایه رسوب می کند.
دو نوع منبع رسوب بخار برای گرمایش پرتو الکترونی وجود دارد: تفنگ های الکترونی تفنگ مستقیم و تفنگ های الکترونی نوع e (همچنین دایره ای). پرتو الکترونی از منبع ساطع می شود و توسط یک سیم پیچ میدان مغناطیسی متمرکز و منحرف می شود تا مواد فیلم را بمباران و گرم کند. از مزایای آن می توان به تبخیر هر ماده، خلوص بالای فیلم، اثر مستقیم بر روی سطح مواد و راندمان حرارتی بالا اشاره کرد. از معایب تفنگ های الکترونی می توان به ساختار پیچیده، هزینه بالا، تجزیه آسان ترکیبات در حین رسوب گذاری و عدم تعادل شیمیایی اشاره کرد.

تبخیر گرمایش القایی یک فناوری است که از گرمایش القایی میدان الکترومغناطیسی با فرکانس بالا برای تبخیر و تبخیر مواد استفاده می‌کند و آنها را به یک لایه روی سطح زیرلایه تبدیل می‌کند. از مزایای آن می توان به نرخ تبخیر بالا اشاره کرد که می تواند حدود 10 برابر بیشتر از یک منبع تبخیر مقاومتی باشد. دمای منبع تبخیر پایدار است و آن را کمتر در معرض پاشش قرار می دهد. دمای بوته پایین است و مواد بوته رسوب غشایی کمتری دارند. از معایب آن می توان به نیاز به محافظ دستگاه تبخیر، هزینه بالا و تجهیزات پیچیده اشاره کرد.
اگرچه اصول این سه فناوری پوشش تبخیری برای تجهیزات پوشش خلاء یکسان است، اما همه آنها از تبخیر با دمای بالا برای تبخیر مواد برای پوشش استفاده می کنند. با این حال، محیط هایی که آنها در آن اعمال می شوند متفاوت است و مواد پوشش و بسترها نیز نیازهای متفاوتی دارند.
تبخیر گرمایش القایی با فرکانس بالا فرآیند قرار دادن یک بوته حاوی مواد پوششی در مرکز یک سیم پیچ مارپیچی با فرکانس بالا است که باعث می شود مواد پوشش دهنده جریان های گردابی قوی و اثرات پسماند را تحت القای یک میدان الکترومغناطیسی با فرکانس بالا ایجاد کند. در حرارت دادن لایه فیلم تا زمانی که تبخیر و تبخیر شود. منبع تبخیر معمولاً از یک سیم پیچ فرکانس بالا با آب خنک شده و یک بوته گرافیتی یا سرامیکی (اکسید منیزیم، اکسید آلومینیوم، اکسید بور و غیره) تشکیل شده است. منبع تغذیه فرکانس بالا از فرکانس 10000 تا چند صد هزار هرتز با توان ورودی چند تا چند صد کیلووات استفاده می کند. هرچه حجم مواد غشایی کمتر باشد، فرکانس القایی بالاتر است. فرکانس کویل القایی معمولاً با استفاده از لوله های مسی با آب خنک می شود. نقطه ضعف روش تبخیر گرمایش القایی با فرکانس بالا این است که تنظیم دقیق توان ورودی آسان نیست. دارای مزایای زیر است:

1. نرخ تبخیر بالا:
2. دمای منبع تبخیر یکنواخت و پایدار است و ایجاد پاشش قطرات آبکاری آسان نیست.
3. یک بار بارگیری منبع تبخیر، کنترل دما نسبتا آسان است و عملیات ساده است.

مزایای تکنولوژی پوشش کندوپاش مگنترون به شرح زیر است
1. سرعت رسوب بالا. با توجه به استفاده از الکترودهای مگنترون با سرعت بالا، می توان جریان یونی زیادی را به دست آورد که به طور موثر نرخ رسوب و سرعت کندوپاش این فرآیند پوشش را بهبود می بخشد. در مقایسه با سایر فرآیندهای پوشش کندوپاش، کندوپاش مگنترون ظرفیت تولید و خروجی بالایی دارد و به طور گسترده در تولیدات صنعتی مختلف استفاده می شود.
2. راندمان قدرت بالا. اهداف کندوپاش مگنترون معمولاً ولتاژهایی را در محدوده 200 ولت-1000 ولت، معمولاً 600 ولت انتخاب می کنند، زیرا ولتاژ 600 ولت دقیقاً در بالاترین محدوده مؤثر بازده توان است.
انرژی کندوپاش کم ولتاژ پایین اعمال شده به هدف مگنترون و میدان مغناطیسی پلاسما را در نزدیکی کاتد محدود می کند، که می تواند از برخورد ذرات باردار پرانرژی بر روی بستر جلوگیری کند.
3. دمای بستر پایین است. الکترون های تولید شده در طول تخلیه آندی را می توان بدون نیاز به زمین نگهدارنده بستر مورد استفاده قرار داد، که می تواند به طور موثر بمباران الکترونی روی بستر را کاهش دهد. بنابراین دمای بستر نسبتاً پایین است و آن را برای پوشش دادن برخی از بسترهای پلاستیکی که در برابر دماهای بالا مقاومت چندانی ندارند بسیار مناسب می کند.

حکاکی ناهموار روی سطح اهداف کندوپاش مگنترون. حکاکی سطحی ناهموار اهداف کندوپاش مگنترون توسط میدان های مغناطیسی هدف ناهموار ایجاد می شود، که منجر به نرخ اچ بالاتر در مکان های محلی هدف و نرخ استفاده موثر کمتر از ماده هدف می شود (تنها 20٪ -30٪ میزان استفاده) . بنابراین، برای بهبود میزان استفاده از مواد هدف، لازم است توزیع میدان مغناطیسی را از طریق ابزارهای خاصی تغییر داد و یا از آهنربا برای حرکت در کاتد استفاده کرد که می تواند میزان استفاده از مواد هدف را نیز بهبود بخشد.
4. هدف مرکب. فیلم های آلیاژی با پوشش هدف کامپوزیتی را می توان تولید کرد. در حال حاضر، آلیاژ Ta Ti، (Tb Dy) - فیلم های آلیاژ Fe و Gb Co با موفقیت با استفاده از فناوری کندوپاش مگنترون مرکب رسوب داده شده اند. چهار نوع ساختار برای اهداف مرکب وجود دارد که عبارتند از اهداف جاسازی شده دایره ای، اهداف تعبیه شده مربعی، اهداف جاسازی شده مربع کوچک و اهداف تعبیه شده به شکل فن. در میان آنها، ساختار هدف تعبیه شده به شکل فن بهترین اثر استفاده را دارد.
5. طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی. فرآیند کندوپاش مگنترون می تواند عناصر زیادی را رسوب دهد، از جمله Ag، Au، C، Co، Cu، Fe، Ge، Mo، Nb، Ni، Os، Cr، Pd، Pt، Re، Rh، Si، Ta، Ti، Zr، SiO، AlO، GaAs، U، W، SnO و غیره

تکنولوژی پوشش یون خلاء
تکنولوژی آبکاری یونی خلاء(به اختصار آبکاری یونی) اولین بار توسط D M. Mattox در سال 1963 به عنوان فناوری پوششی که تبخیر و کندوپاش را با هم ترکیب می‌کند، پیشنهاد و به کار گرفته شد. این بر اساس بمباران یونی است که مواد پوشش داده شده یا قطعه کار را تا حالت مذاب گرم می کند و از بمباران یونی پرانرژی برای رسوب لایه های نازک فلزی یا نیمه هادی شیمیایی بر روی سطح بستر استفاده می کند و در نتیجه لایه های نازکی با ساختار و خواص خاص به دست می آید.
فرآیند آبکاری یونی به این صورت است که منبع تبخیر به آند و قطعه کار به کاتد متصل می شود. هنگامی که یک جریان مستقیم ولتاژ بالا بین سه تا پنج هزار ولت اعمال می شود، تخلیه قوس بین منبع تبخیر و قطعه کار ایجاد می شود. به دلیل گاز بی اثر آرگون پر شده در هود خلاء، مقداری از گاز آرگون تحت عمل میدان الکتریکی تخلیه یونیزه می شود و یک ناحیه تاریک پلاسما در اطراف قطعه کار کاتد تشکیل می دهد. یون‌های آرگون با بار مثبت توسط ولتاژ بالای منفی کاتد جذب می‌شوند و به شدت سطح قطعه کار را بمباران می‌کنند و باعث می‌شوند ذرات و کثیفی‌ها روی سطح قطعه کار پاشیده و به بیرون پرتاب شوند و در نتیجه سطح قطعه کار به بیرون پرتاب شود. به طور کامل توسط بمباران یونی تمیز می شود. متعاقباً منبع تغذیه AC منبع تبخیر وصل می شود و ذرات ماده تبخیر شده ذوب شده و تبخیر می شوند و وارد منطقه تخلیه درخشش می شوند و یونیزه می شوند. یون‌های تبخیر شده با بار مثبت که توسط کاتد جذب می‌شوند، همراه با یون‌های آرگون به سمت قطعه کار می‌روند. زمانی که مقدار یون های مواد تبخیر شده که روی سطح قطعه کار ته نشین می شوند از مقدار یون های پاشیده شده بیشتر شود، به تدریج تجمع می یابند و پوشش محکمی روی سطح قطعه کار ایجاد می کنند.
ساختار پوشش آبکاری یونی متراکم، بدون سوراخ، حباب و ضخامت یکنواخت است. این روش برای پوشش دادن قطعات با سوراخ های داخلی، شیارها و شکاف های باریک که با روش های دیگر پوشش دهی آنها دشوار است و گره های فلزی ایجاد نمی کند بسیار مناسب است. این فرآیند به دلیل توانایی در ترمیم ترک های کوچک و عیوب مانند سوراخ شدن سطح قطعه کار، می تواند به طور موثری کیفیت سطح و خواص فیزیکی و مکانیکی قطعات پوشش داده شده را بهبود بخشد. آزمایش‌های خستگی نشان داده‌اند که در صورت استفاده صحیح، عمر خستگی قطعه کار را می‌توان 20 تا 30 درصد نسبت به قبل از آبکاری افزایش داد.

ویژگی های پوشش یون خلاء
در مقایسه با تبخیر و کندوپاش، آبکاری یونی دارای ویژگی های زیر است:
(1) عملکرد چسبندگی خوب پوشش
در طول پوشش خلاء معمولی، تقریبا هیچ لایه انتقالی وجود ندارد که سطح قطعه کار و پوشش را به هم متصل کند. در حین آبکاری یونی، زمانی که یون‌ها قطعه کار را با سرعت بالا بمباران می‌کنند، می‌توانند به سطح قطعه کار نفوذ کرده و یک لایه انتشار عمیقاً در بستر ایجاد کنند. عمق انتشار رابط آبکاری یونی می تواند به چهار تا پنج میکرومتر برسد. در مرحله اولیه پوشش، کندوپاش و رسوب همزیستی دارند و یک لایه انتقال یا یک لایه مخلوط از لایه و اجزای زیرلایه می‌تواند در سطح مشترک بین لایه و زیرلایه تشکیل شود که به آن لایه شبه انتشار می‌گویند که می‌تواند به طور موثر عملکرد چسبندگی را بهبود بخشد. از لایه فیلم
(2) توانایی آبکاری قوی
در طی آبکاری یونی، ذرات ماده تبخیر شده در جهت میدان الکتریکی به شکل یون های باردار حرکت می کنند. بنابراین، هر جا که میدان الکتریکی وجود داشته باشد، می توان یک پوشش خوب به دست آورد، که بسیار برتر از پوشش خلاء معمولی است که فقط می تواند یک پوشش در جهت مستقیم به دست آورد. بنابراین این روش برای مناطقی بر روی قطعات آبکاری شده که به روش های دیگر مانند سوراخ های داخلی، شیارها و شکاف های باریک به سختی آبکاری می شوند، بسیار مناسب است.
(3) کیفیت پوشش خوب
پوشش یونی دارای ساختار متراکم، بدون سوراخ، بدون حباب و ضخامت یکنواخت است. حتی لبه ها و شیارها را می توان به طور یکنواخت پوشش داد و قطعاتی مانند رزوه ها را نیز می توان با سختی بالا، مقاومت در برابر سایش بالا (ضریب اصطکاک کم)، مقاومت در برابر خوردگی خوب و پایداری شیمیایی پوشش داد که در نتیجه طول عمر لایه فیلم بیشتر می شود. در عین حال، لایه فیلم می تواند به طور قابل توجهی ظاهر و عملکرد تزئینی قطعه کار را بهبود بخشد.
(4) فرآیند تمیز کردن را ساده کنید
اکثر فرآیندهای پوشش موجود نیاز به تمیز کردن دقیق قطعه کار از قبل دارند و این فرآیند نسبتاً مسئول است. در طول فرآیند آبکاری یونی، تعداد زیادی ذرات پرانرژی تولید شده توسط تخلیه درخشش برای ایجاد یک اثر کندوپاش کاتدی روی سطح استفاده می‌شود، که گاز و روغن جذب شده روی سطح زیرلایه را با کندوپاش تمیز می‌کند و سطح زیرلایه را تا زمانی که کل فرآیند پوشش کامل شده است و بسیاری از کارهای تمیز کردن قبل از آبکاری را ساده می کند.
(5) مواد آبکاری شده به طور گسترده در دسترس است
آبکاری یونی فرآیند استفاده از یون های پرانرژی برای بمباران سطح قطعه کار، تبدیل مقدار زیادی از انرژی الکتریکی به انرژی حرارتی در سطح قطعه کار است و در نتیجه باعث ترویج انتشار و واکنش های شیمیایی در بافت سطح و قطعه کار می شود. تحت تأثیر دمای بالا قرار نمی گیرد. بنابراین این فرآیند پوشش دهی کاربرد وسیعی دارد و از محدودیت کمتری برخوردار است. معمولاً می توان فلزات مختلف، آلیاژها و همچنین مواد مصنوعی خاص، مواد عایق، مواد حساس به حرارت و مواد با نقطه ذوب بالا را آبکاری کرد. قطعات فلزی را می توان با غیر فلزات یا فلزات و همچنین فلزات یا غیر فلزات و حتی پلاستیک، لاستیک، کوارتز، سرامیک و غیره آبکاری کرد.
طبقه بندی پوشش یون خلاء
ترکیب های مختلفی از روش های یونیزاسیون و تحریک برای منابع و اتم های مختلف تبخیر وجود دارد که منجر به پیدایش بسیاری از روش های آبکاری یونی منبع تبخیر می شود. روش‌های رایج شامل آبکاری یونی و آبکاری یونی تبخیر بر اساس جذب ذرات غشایی است.
1. آبکاری یونی نوع کندوپاش
با استفاده از یون های پرانرژی برای پاشیدن سطح مواد غشایی، ذرات فلزی تولید می شوند. ذرات فلزی در فضای تخلیه گاز به یون‌های فلزی یونیزه می‌شوند و تحت بایاس منفی به زیرلایه می‌رسند و لایه‌ای را تشکیل می‌دهند.

آبکاری یونی تبخیری
حرارت دادن مواد پوشش از طریق روش‌های گرمایش مختلف برای تبخیر و تولید بخار فلز، که سپس به روش‌های مختلف به فضای تخلیه گاز وارد می‌شود تا به یون‌های فلزی یونیزه شود. این یون ها تحت بایاس منفی به زیرلایه می رسند و در یک فیلم رسوب می کنند.
در میان آنها، آبکاری یون تبخیری را می توان به آبکاری یونی دو مرحله ای DC، آبکاری یونی کاتد توخالی، آبکاری یونی قوس سیم داغ و آبکاری یونی قوس کاتدی با توجه به اصول تخلیه مختلف تقسیم کرد. آبکاری یونی ثانویه DC یک تخلیه درخشش پایدار است. آبکاری یونی کاتد توخالی و آبکاری یونی قوس سیم داغ هر دو تخلیه قوس حرارتی هستند و دلیل تولید الکترون را می توان به سادگی به عنوان انتشار حرارتی الکترون ها در خارج از هسته به دلیل گرم شدن مواد فلزی در دمای بالا خلاصه کرد. نوع تخلیه آبکاری یونی قوس کاتدی با انواع قبلی آبکاری یونی متفاوت است و در آن از تخلیه قوس سرد استفاده می شود.
(1) آبکاری یونی کاتد توخالی (HCD)
استفاده از تخلیه کاتد داغ توخالی برای تولید پرتو الکترونی پلاسما. ویژگی های آبکاری یون کاتد توخالی: ① تفنگ کاتد توخالی HCD هم منبع گرما برای گازی شدن مواد غشایی و هم منبع یونیزاسیون برای ذرات تبخیر شده است و روش یونیزاسیون استفاده از برخورد پرتو الکترونی با فشار کم است. ② با استفاده از یک ولتاژ شتاب از 0V تا چند صد ولت، یونیزاسیون و شتاب یونی به طور مستقل عمل می کنند. ④ افزایش دمای بستر کم است و بستر هنوز باید در طول پوشش گرم شود. ⑤ راندمان یونیزاسیون بالا، نقطه پرتو الکترونی بزرگ، و می تواند بر روی فیلم های مختلف سپرده شود.
(2) آبکاری یونی قوس کاتدی
آبکاری یون قوس کاتدی نقطه اوج تکنولوژی پوشش یونی جریان اصلی است که تخلیه قوس سرد را اتخاذ می کند و بالاترین نرخ یونیزاسیون ذرات را در میان بسیاری از فناوری های پوشش PVD دارد.