دانلود مقاله رسوب دهی لایه های نازک سخت و یا نرم

بخشی از مقاله

رسوب دهي لايه هاي نازك سخت و يا نرم

مقدمه
مورفولوژي يك پوشش بطور عمده به فناوري بكار گرفته شده بستگي دارد. بطور كلي روشهايي كه در آن پوشش از فاز بخار رسوب داده مي‌شوند. را مي‌توان دو گروه اصلي تقسيم كرد روش رسوب شيميايي بخار CVD و روش رسوب فيزيكي PVD بعلاوه از روشهايي به نام روشهاي كمكي يا تحريك شده نيز استفاده مي‌شود. بعنوان مثال روش كمكي پلاسماي رسوب شيميايي بخار PA-CVD يا فرآيندهاي دما توسط مانند روش دما متوسط CVD كه با MT-CVD نمايش داده مي‌شود نيز گسترش پيدا كرده است. همانطور كه در شكل 5.1 نشان داده شده است بعنوان مثال به روشهاي فوق مواردي مثل پرايدهاي نسوز، كارميدها، نيتريدها ،اكسيدها وتركيب هاي مختلفي از اين گونه پوششها را ميتوان رسوب داد.

5.2 روشهاي رسوب شيميايي بخار
5.2.1 طبقه بندي فناوريهاي CVD
در روش رسوب شيميايي بخار واكنش كننده ها بصورت گاز تامين شده و واكنشهاي شيميايي در اثر گرما در سطح زير لايه گرم شده انجام مي‌شوند. در روشهاي CVD معمولا فرآيند در درجه ر600 تا 1100 درجه سانتيگراد انجام مي‌شود هزينه فرآيندهايي كه در درجه وارستاي پايين تر نيز كار مي كنند بكار گرفته شده است. در جدول 5.1 مي‌توان روشهايي از CVD كه بيشتر در صنعت ارز برش بكار مي رود را ملاحظه كرد.

In به شكل سنتي خود فناوري CVD بدون فرآيندهاي كمكي در فشار محيط مثل پوشش دهي در فشار محيط APCVD ,CVD يا در فشار پايين مثل پوشش دهي به فشار كم CVD استفاده ميشود. از فناوري APCVD كه به پوشش دهي با دماي بالاي (HT-CVD) CVD نيز معروف است بعنوان پرمصرف ترين روش پوشش مي‌توان نام برد.

در روش كلاسيك پوشش دهي CVD كه از سال 1969 در صنعت بكارگرفته شد از در يك لحظه اي حفاظت شده از اتمسفر محيط،تحت گاز هيدروژن فشار 1 اتمسفر يا كمتر تا 1000C گرم مي‌شود. همچنين تركيبات تبخير شدني به اتمسفر هيدروژن اضافه مي‌شوند. تا بتوان تركيبات فلي وغيرفلزي را رسوب داد. يك جنبه مشترك تمام فناوريهاي CVD افزودن عنصر مورد نظر در پوشش به شكل يك هالوژن مثل Tic4 در ورد لايه هاي Ti(cN) يا TiN ,Tic يا مخلوطي از هالوژنها مثل Ticl4 +Bcl3 در مورد لبه هاي TiB2 مي‌توان نام برد.

5.2.2 روش تحت فشار اتمسفر رسوب شيميايي بخار (APCVD)
وسايل بكار گرفته شده براي رسوب دهي لايه TiN به روش CVD در شكل 5.2 ارائه شده است در اين روش يك محفظه واكنش گرم شده و وسايل انتقال گاز مورد نياز است. در بيشتر موارد زير لايه به روش هرفت يا تشعشعي ازداخل محفظه پوشش دهي گرم مي‌شود. فرآيند با تغيير دادن درجه حرارت قطعات تحت پوشش تركيب شيميايي و فشار گانه ها كنترل ميشود. همانطور كه قبلا اشاره شد واكنشهاي هاليه فلزات مثلا با هيدروژن ،نيتروژن يا متان. بكار گرفته مي‌شود تا بتوان پوششهايي مثل انواع نيتريد ها يا كاربيدهاي فلزات را ايجاد كرد.

بعنوان مثال واكنشهاي ذيل براي ايجاد پوششهاي به ترتيب نيتريد نتيتانيوم وكاربيد تيتانيوم بكار گرفته مي‌شود:
(1)
(2)

لايه اكسيد آمونيومو را ميتوان با واكنش ذيل ايجاد كرد.
(3)

With با مخلوطهايي از هاليه فلزات، هيدروژن ،اكسيژن، نيتروژن ،هيدروكربنها و تركيبات بر، پوششهاي مختلفي از نيتريد، كاربيد و برايد فلزات را ميتوان به روش CVD ايجاد كرد. در حال حاضر متداولترين پوشش هاي ايجاد شده به روش هستند (شكل 5.3) لايه هاي ايجاد شده به روش CVD ساختار ميكروسكوپي ستوني دارند هر چند رسوبات اوليه گاهي به شكل هم محور هستند.

بطور خاص اندازه دانه وساختار ميكروسكوپي اوليه به شدت به شرايط اعمال شده در فرآيند بستگي دارد.
چون فرايند در درجه حرارتهاي بالا انجام مي‌شود بين پوشش زير لايه به ميزان قابل توجهي نفوذ صورت مي گيرد. بنابراين پوششهاي CVD معمولا چسبندگي بين پوشش و زير لايه را به شدت بهبود مي بخشد. در رسوب دهي Tic كربن كاربيدهاي زير لايه باتيتانيوم طي واكنشي توليد Tic مي كنند.در اثر كربن زدايي از سطح باعث مي‌شود كه ناز ترد اما توليد شود و آن نيز به نوبه خود با تخلخهاي بسيار در زير لايه در مرز پوشش –زيرلايه همراه است كه در شكل 5.3. نشان داده شده است.
5.2.3 فرايند درجه حرارتهاي متوسط (MT- CVD) CVD

اثبات شده كه استحكام پارگي در سطح مقطع (TRS) در كاربيدهاي 300% يا بيش از آن كاهش مي يابد. مشكل ضعيف شدن لبه برش را ميتوان با استفاده از فرآيندهاي درجه حرارت متوسط رفع كرد يا honing لبه هاي از در قبل از فرآيند رسوب دهي CVD تا حدودي كاهش داد.
The با انتخاب مناسب واكنشگرهاي گازي يا فشارهاي كمتر باعث ميشود كه بتوان در درجه حرارتهاي پايين تر رسوب دهي كرد. در موراول هنگام ايجاد لايه Tic هيدروكربن بنزن را ميتوان بجاي متان جايگزين كرد براي ايجاد لايه Ti(C,N) بجاي CH4 ميتوان از استولينتريل استفاده كرد. فرايند موسوم به رسوب شيميايي بخار در درجه حرارت متوسط (MT- CVD) در

درجه حرارتهاي بين دماهاي فرايند هاي HT-CVD ودماي فرايندهاي PVD فرايند انجام مي‌شود. در حقيقت اين فرايند در درجه حرارتهاي بين 750 تا 900 درجه سانتيگراد (بطور متوسط 850c) انجام مي‌شود. درجه حرارتهاي كمتر رسوب دهي باعث كاهش تنشهاي رس ماند وبهبود چقرگي در لبه ها مي‌شود. ابزار پوشش داده شده به روشMT-CVD در مقايسه با

فرايند CVD در درجه حرارتهاي بالا مقابل شوكهاي حرارتي واز بين رفتن لبه ها مقاومت بيشتري از خود نشان مي دهد. اين اثرات مفيد باعث بهبود كارايي coated inserts در عمليات برشكاري منقطع ميشود . در اين تقسيم بندي TicN پوشش برتر (ترجمه leading) است.بعلاوه براي دستيابي به فناوري CVD با دقت هاي بيشتر (fine –trining) از تركيبي از MT-CVD, CVD مي‌توان استفاده كرد.بعنوان مثال با تركيب ياز MT-CVD براي ايجاد لايه TiCN با حداقل مقدار فاز و ايجاد لايه با استفاده از CVD كه بتوان ابزار پوش داده شده اي را براي ظرفيتهاي باربرداري زياد ايجاد كرد خصوصا براي بار برداري شديد خشن كاري مناسب است.

In در مورد د وم با كاهش فشار تا حد 1تا5 كيلوپاسكال منجر به فرآيند فشار پايين (Lp- CVD) CVD خواهد شد.
Fig شكل 5.4 مقاومتهاي اساسي در ساختار ميكروسكوپي از زير لايه در اثر تكنيكهاي رسوب دهي مختلف را نشان مي دهد. در يك فرايند خاص CVD مرسوم به تكنولوژي چند لايه اي (Ml- CVD) CVD كه اخرا توسط [s)widia Valemta ابداع شده طي آن بش از 200لايه بسيار بسيار نازك روي يك (insert) ايجاد مي‌گردد.

The بيشترين مزيت پوشش ML-CVD آن است كه بطور موثر در مقابل انتشار تركهاي ميكروسكوپي در ساختار پوشش مقاومت مي‌كند. پوششهاي ML- CVD داراي سطوحي بسيار نرم بودكه كه اصطكاك وحرارت ايجاد شده در اثر جداشدن براده در سطح تيغچه را حداقل مي‌كند. تمايل وجود دارد كه تيغچه هاي پوشش داده شده با ML- CVD از جنس را جايگزين پوششهاي متداول كرد. هم چنين فرايندهاي پوشش دهي لايه هاي معروف به MTML-CVD (فرايندهاي متوسط ML- CVD) هم چنين توسعه يافته اند. [5]

5.2.4 روش كمكي پلاسما (ACVD) CVD
Fither براي كاهش بيشتر درجه حرارت ميتوان از فعال كردن الكتروني محيط گازي با استفاده از تخليه (glow) استفاده كرد كه اين عمل با جريانهاي با فركانس بالا يا با اعمال تكنولوژي ليزر (LCVD) يا اشعه الكتروني (EA CVD) از يك محيط گازي مناسب انجام مي‌شود. در فرايند كمكي پلاسما (PACVD) CVD كه در آن يك تخليه الكتريكي در گاز فشار پايين صورت مي گريد تا سينك واكنشهاي CVD تشديد شود. اين فرايند يكي از پرمصرف ترين روشهاي رسوب دهي( تركيب شده) محسوب مي‌شود. اين فرايند تركيبي از درجه حرارتهاي متوسط رسوب دهي(حدود 600c) وايجاد پوششي با ضخامت مناسب ويكنواخت بدون هيچگونه نياز به دوران ابزرا در حين فرايند پوشش دهي را ايجاد مي‌كند. در فرايند متداول CVD انرژي حرارتي واكنش شيميايي را فعال مي‌كند واين باعث تشكيل پوشش سخت خواهد شد.درروش كمكي پلاسماي CVD فعال شدن در درجه حرارتهاي پايين تر با انرژي ذرات ايجاد شده در اثر پلاسما بعنوان مثال تخليه گاز آرگون جبران مي‌شود.

در اين روش از منبع انرژي با جريان مستقيم وجريان با امواج راديويي براي رسوب دهي پوششهاي هادي حرارت مثل Tic,TiN) وپوششهاي عايق حرارت ميتوان استفاده كرد.
Figur 5.5 شكل 5.5 بطور شماتيك فرايند PACVD را كه در آن از كوره تخليه glow با استفاده از لوله كوارتز كه بوسيله ژنراتور ولتاژ بالا (كه ميتوان به دلخواه از جريان منقطع با فركانس راديويي يا ميكرويو استفاده كرد كه بوسيله يك ميكروپروسسور كنترل مي‌شود را نشان مي دهد.سيستم خلاء كوره تخليه glow به يك پمپ خلا مجهز است كه بتوان فشار داده محفظه

كاري بين با جريان هاي مورد نياز گازهاي واكنش كننده بين 1-13mpa تنظيم كرد وبتوان پس از پايان فرايندهاي با هوا محفظه را با هوا پر كرد. تكنيك PACVD كه در بالا تشريح شد را مي‌توان در محدوده دمايي بين 670 تا 870 درجه كلوين براي مخلوطي از گازهاي شامل براي ايجاد يك لايه يا لايه هايي با تركيبات مختلف هر يك شامل Ti(C,N) ,Tic,TiN ايجاد كرد. مي‌توان بعنوان زير لايه از فولادهاي ابزار، فولادهاي HSS وكاربيدهاي سمانته استفاده كرد. بايد توجه كرد كه براي استفاده از فولادهاي HSS بعنوان زير لايه بايد عمليات حرارتي مناسب را قبل از عمليات پوشش دهي انجام داد.

A broader هنگام استفاده از اتمسفرهاي گازي حاوي تركيبات آلي فلزي با روش PACVD بجز به تخليه Slow بدون عمليات قبلي ميتوان به كاربردهاي وسيعتري دست يافت. بعنوان مثال با اين فرايند مي‌توان لايه هاي چند جزيي از ولايه هاي مركبي مثل تيتانيوم اكسي نيتريد Ti(NCO) كه بروي آن لايه هاي از نيتريد تيتانيوم قراردارد را ايجاد كرد مثل Ti(NCO)+TiN [2]

5.2.5 رسوب دهي فيلمهايي از الماس
The روش كمكي پلاسماي CVDبعنوان يكي از روشهاي متداول براي رسوب دهي فيلمي از الماس نازك روي قطعات مطرح است. از اين روشها تجزيه گازهاي جاري كربن در حضور هيدروژن واغلب اكسيژن صورت مي گيرد.

بعنوان مثال مخلوطي از گازهاي متان، هيدروژن و دي اكسيد كرين ممكن است استفاده شود.
The most آخرين توسعه در ايجاد پوشش هاي سخت ايجاد فيلمهاي الماس در فشارهاي كم با استفاده از تجزيه گازهاي كربن دار در حضور يونهاي هيدروژن است اين فرايند جايگزين فرايند توليد الماس مصنوعي لايه wc-co لحيم كاري سخت ميشود [4,8] مع ذلك اين ابزارهاي در گران بودن فرايند HP-HT و عمليات صيقل كاري با الماس و پوليش كردن نسبتا گران هستند. در مقابل با پوشش دهي ابزار ممانعه با الماس به روش كم فشار CVD ديگر هيچ ضرورتر به پرداخت سطح پوشش داده شده وجود ندارد.

Microware فرايند CVD با استفاده از ميكرويو، فيلمان گرم، احتراق مصنوعي، وقوس پلاسما تعدادي از روشهاي هستندكه بصورت مستقل يا تركيبي براي ايجاد پوششهاي الماس بر روي ابزارهاي برش بكار گرفته مي‌شوند. [8] در مورد سيستمهاي متداول ميكرويو،فيلم الماس به روش CVD بر روي زير لايه اي در دمايي حدود 900c كه نزديك دماي گاز تركيب شده است اعمال مي‌گردد. دراين روش مخلوطي گازي از حاوي 1تا5 درصد اتمي مثال در هيدروژن بصورت شيميايي تحريك شده تا راديكالهاي هيدروژن وهيدروكربن ايجاد شود. همانطوريكه

اشاره شد در بيشتر سيستمها تحريك با استفاده از تشعشع ميكرويو ايجاد مي‌گردد. معمولا از فشارهايي مارن (20تا 100 torr) برحسب طراحي توان راكتور( و نرخ رسوب دهي براي ابزار بين 1/0 تا 10 استفاده مي‌شود. [9] با اين روش توليد الماس مصنوعي براي كاربردهاي ابزار برش مي‌توان تركيبي از بلورهاي كوچك الماس( معمولا به قطرهاي بين 1تا10 ميكرومتر) دست يافت. كه هر يك از بلورهاي توليد شده در اين روش مثل يك الماس طبيعي والماس توليد شده به روش مصنوعي در فشار بالا مي‌باشد.

The مهمترين عامل در موفقيت آميز بودن ايجاد پوشش الماس بر روي ابزار برش در فرايندهاي متداول ميزان چسندگي فيلم زير لايه است. اين مسئله در اثر تفاوتهاي قابل توجه در خصوصيات اين لايه با زير لايه مثل ضريب انبساط حرارتي.‌مدرن الاستيك ، خواص شيميايي و ساختار اتمي متفاوت بين الماس و كاربيدهاي ممانته مي‌باشد.

As همانطوريكه komandri , Malika گزارش كرده اند [8] مي‌توان الماس را با چسبندگي قوي بوسيله ميكرويو با استفاده از CVD روي زير لايه ابزار كاربيد ممانته تنگستن حاوي كبالت كم (%3) وكبالت زياد (6نت 12%) ايجاد كرد. هم چنين با عمليات قبلي Morakami بعلاوه عمليات اولتراسونيك با استفاده از سوسپانسيون الماس براي داشتن كبالت سطحي از روي كاربيدهاي تنگستن ممانته تيغچه ها دريافت كه براي بهبود كيفي وچسبندگي پوششهاي الماس بر روي زير لايه wc-co بسيار تعيين كننده است. به ويژه ديده شده تنشهاي پس ماند

اثر مهمي بر كآرايي ابزار هاي برش دارد. كاربيدهاي دريل (6%-94%wc) كه با فيلمي از الماس كه راكتوري به روش فيلمان داغ CVD پوشش داده شده است وجود تنشهاي فشاري در فيلم و در مرز بين فيلم و زير لايه به روش اسيكترويسكي Raman تشخيص داده شد. همانطوريكه Uh/mann همكاران گزارش كرده اند [12] هر دو كلاس زير لا يه k10-iso و زير لايه هاي سراميكي با لايه هاي از الماس به ضخامت فرايند HF CVD پوشش داده شده اند. طبق شكل 4.5 بايد توجه كرد كه فيلم الماس CVD بطور متوسط حدود 30% بيش از تيغچه هاي

لحيم كاري سخت شده PCD از خود نشان مي دهند. مع ذالك ابزارهاي پوشش داده شده با الماس مخصوصا آنهايي ك با فيلم هاي ضخيم تر و پوشش داده مي‌شوند. را نبايد در عمليات برشكاري منقطع استفاده كرد زيرا اينها نسبت به ابزار PCD مقاومت كمتري در مقابل شكست از خود نشان مي دهند. شكل 56(a) تصويري SEM از يك لبه برش تيز از يك ابزار پوشش داده شد با الماس به روش CVD هنگاميكه پوشش نازكي معادل روي آن ايجاد شده را نشان مي دهد. شكل را نشان مي دهد.
5.6(c ) هنگاميكه ضخامت پوشش الماس معادل است.در اين شكل ديده مي‌شود كه چگونه شكل هندسي آن بطور قوي تري تغيير يافته است.

5.3 تكنيكهاي رسوب فيزيكي بخار
5.3.1 جنبه هاي عمومي وكاربردها
در دهه 1980 روش رسوب فيزيكي بخار (PVD) بعنوان يك فرايند اقتصادي براي ايجاد پوششهاي TiN روي ابزار كاربيد ممانته مطرح شد. در مقايسه با CVD ،فرايند PVD در درجه حرارتهاي نسبتا پايين رسوب دهي معمولا بين 200 تا C 500 بكار گرفته مي‌شود. رسوب دهي در دماهاي پايين از تشكيل فاز جلوگيري مي‌كند و پوششهاي عاري از ترك با دانه هايي ريزتر را ايجاد مي‌كند. نتيجتا نيازي به (تيز كردن hone) لبه هاي ابزار قبل از فرايند پوشش دهي وجود ندارد. پوششهاي PVD مزاياي بسياري از قبيل عمليات ماشين كاري و يا مواد مورد ماشينكاري نسبت به فرايند CVD داراست.

با اين روش پوششهايي به ضخامتهاي كمتر از ميتوان ايجاد كرد معمولا بين 2تا5 پوششها نرم بوده لذا در حين عمليات ماشينكاري حرارت كمتري در اثر اصطكاك ايجاد ميشود. همانطوريكه در شكل 5.7 ديده مي‌شود پوششهاي PVD را مي‌توان بصورت يكنواخت روي لبه هاي تيز ابزار برش ايجاد كرد. لبه هاي برش تيز وقوي جز به ملزومات اوليه در فرايندهاي ماشينكاري ، سوراخكاري.‌ايجاد دنده پيچ، وقطع كردن بوده واز ايجاد BUE جلوگيري كرده وهنگام برش فولادهاي كم كربن از توليد براده هاي طويل جلوگيري كند. هم چنين ابزار پوشش داده شده با روش PVD رامي توان براي ماشينكاري محدوده وسيعي از مواد با قابليت ماشينكاري به مثل تيتانيوم آلياژهاي پايه ومورد غيرآهني را ماشينكاري كرد. مخصوصا لبه هاي نيز نيروهاي برش را تقليل مي دهند بنابراين از اينگونه ابزار مي‌توان بصورت موثر در ماشينكاري قطعات با ديواره هاي نازك استفاده كرد. امروزه تكنيكهاي PVDبراي رسوب دهي لايه هاي بكار گرفته مي‌شود. با توجه به خاصيت عايق حرارتي عالي TiAlN ازين پوشش براي محافظت زير لايه در مقابل سايش نفوذي استفاده مي‌شود.

It ديده شده كه پوشش دي برات تيتانيوم (TiB2) كه از TiALN, PVD-TiN سخت تر است ميتواند در مقابل تركيب شدن شيميايي با مواد غيرآهني مقاومت كند يعني آلياژهاي هيپويوتكنيك آلومينيوم ونيزيم تشكيل نشود. [13] در ژاپن نسل كاملا جديدي از ممانته هاي براي كاربردهاي خاص ابداع شده اند كه بايد تنها از PVD-TiAlN يا چند لايه هاي TiCN وفيلمهاي فوق شبكه هاي TiN-AlN گسترش يافته اند. [14]

آخرين گسترش از تكنولوژي PVD ايجاد پوشش هاي نرم Mosاست همچنين پتانسيل زيادي براي ايجاد تركيبات سخت و نرم با اين روش وجود دارد كه در آن اولين لايه سخت به روش PVD از TiN يا TiAlN مقاومت در مقابل سايش و حرارت را ايجادمي كند ولايه روش از جنس Mos2 نرم بوده كه اصطكاك را كاهش داده وامكان كنترل براده را ايجاد مي‌كند.مشابها مواد مركب TiAlN با لايه روشن wc/c براي كاهش اثرات برش اوليه وبهبود جريان براده ها طراحي شده اند. بايد توجه داشت كه بسياري از پرسشهاي اقتصادي PVD ساختاري چند لايه اي داشته وپوششهاي آنها خواص تركيبي از هريك از پوششها را داراست. هم چنين بعضي خصوصيات اضافي ممكن است در مورد پوششهاي فوق شبكه اي مثل TiN/AlN ,TiN/NlN نيز ايجاد شوند.

In the در مورد فرايندهاي كه موسوم به PVD هستند مواد پوشش از حالت اتمي مولكولي يا يوني به سطح تحت پوشش هدايت شده و اين مواد بصورت فيزيكي نه شيميايي از منابع جامد مايع يا گازي شكل تامين مي‌شوند. [3] بطور كلي پوشش در شرايط خلاء از فلويي از اتمهاي خنثي يا يونيزه شدن روي سطح كاندنس شده در حاليكه اجزا فلزي از صنايع مختلفي شامل تبخير اشعه الكتروني به mggnetron spottring و تبخير قوس الكتريكي تامين مي گردند.قبل از عمليات رسوب دهي محفظه پوشش تحت خلاء شديدي در حدود تا 3/1 پاسكال (معادل torr) قرار مي گيرد. مي‌توان تمام روشهاي متفاوت PVDبراي پوشش بخار فلزات بر روي زير لايه را به سه گروه اصلي تقسيم كرد. تبخير Spoting و پوشش دهي يوني .[2,16] طبق نظر [32]sproul در حال حاضر ها روش براي ايجاد پوششهاي سخت بكار مي روند كه عبارتند از به تبخير با ولتاژ كم اشعه الكتروني رسوب دهي قوسي كاتدي magnetron spotting بالانس و جديدترين آنها magnetron spotteing غيربالانس است. اخيرا منابع اشعه الكتروني كاتدي يا سوراخ داغ نيز در حال گسترش است تفاوتهاي اين چهار نوع از تكنيكهاي رسوب دهي به نحوه تبخير مواد منبع به نحوه ايجاد پلاسما و به تعداد ونوع يونها الكترونها وگازهاي اتمي تشكيل دهنده پلاسما مربوط مي‌شود.
5.3.2 تكنيكهاي تبخير

ساده ترين فرايند PVD تبخير است(شكل 5.3a) كه طي آن پوشش در اثر تبخير گرمايي فلز غيريوني يا در حد بسيار كمي يونيزه شده از يك منبع مذاب كه اغلب به وسيله اشعه الكتروني يا قوس الكتريك گرم شده تامين مي‌گردد. شكل 5.8 شماتيك يك سيستم رسوب دهي را كه در آن براي تبخير از قوس الكتريك براي ايجاد پوشش فيلم استفاده شده را نشان مي دهد.[17]