Magnetron sputtering

[فرهنگ]

مقدمه
سطح قطعات صنعتي، مهمترين بخش آن است، زيرا بسياري از شكست ها، از سطح شروع می‌‌شود. لذا، حفاظت و مقاوم سازي سطح از مسائل بسيار حساس و تعيين كننده كيفيت و عمر قطعات و در نهايت، كارايي يك واحد توليدي و بهاي تمام شده محصول می‌‌باشد. با اين حال، اصطلاح مهندسي سطح ( Surface Engineering )، در حقيقت از اوايل دهه ۱۹۸۰ متداول گرديد و به عنوان پايه مشخصي كه بسياري از ميدانهاي مهندسي؛ فيزيك و علم مواد را در خصوص قطعات صنعتي پوشش می‌‌دهد، در نظر گرفته شد.

بطور خلاصه مهندسي سطح شامل كاربرد تكنولوژي هاي سنتي و يا نوين عمليات هاي حرارتي و يا ديگر عمليات هاي سطحي نظير انواع روشهاي پوشش دهي بر روي مواد و قطعات حساس مهندسي به منظور دستيابي به بك ماده مركب با خواصي است كه در هيچ يك از مواد تشكيل دهنده مغز و يا سطح قطعه به تنهايي وجود ندارد. اغلب ديده شده كه تكنولوژي هاي مختلف سطحي را بر روي قطعات مهندسي از پيش طراحي و ساخته شده اعمال می‌‌كنند. مع هذا شايان ذكر است كه مهندسي سطح عبارت است از طراحي و ساخت قطعه با علم به اينكه چه نوع عمليات سطحي و يا عمليات حرارتي سطحي قرار است كه بر روي آن انجام گيرد.

انگيزه براي توسعه و گسترش عمليات حرارتي سطحي و مهندسي سطح تا حدودي بر می‌‌گردد به پيشرفت هاي سريع و وسيع در تكنولوژي هايي نظير ليزر ،‌پرتو الكتروني ،‌عمليات حرارتي شيميايي، ‌توليد و بكارگيري پدالها ،‌انواع روش هاي لايه نشاني نوآوري در رابطه با پوشش هاي مهندسي و هچنين كاشن بيروني و روشهاي نوين ديگر. علاوه بر اين منشا و مباني و اصول مهندسي سطح را بايد در تكنولوژي هاي سنتي عمليات حرارتي سطحي نظير تبريد سريع بمنظور سخت كردن ،‌كربن دهي نيتروژن دهي و ... آلياژهاي آهن جستجو كرد. در حقيقت دهها سال است كه طراحان قطعات مهندسي در تمام بخش هاي توليدي صنايع با استفاده از ... كنترل شده تبديل آستنيت به مارتنزيت بطور موضعي بر روي سطخ حقطعات توانستهاند آلياژهاي آهني مركب تهيه كنند به نحوي كه مجموعه ساخته شده بدليل خواص ويژه و منحصر بفرد آن در هيچ يك از نواحي سطحي و يا حجمي به تنهايي قابل حصول نمی‌باشد.

ظهور تكنولوژي هاي نوين سطحي براي اولين بار اين فرصت استثنايي را براي مهندسان فراهم كرد كه بتوانند قطعات ساخته شده از آلياژهاي غير آهني و حتي مواد غير فلزي را نيز تحت عمليات سطحي قرار دهند بدين ترتيب دامنه كاربرد مهندسي سطح گسترش يافته و نه تنها آلياژهاي آهني بلكه آلياژهاي غير آهني و حتي در مواردي مواد غير فلزي و پليمرها را نيز در برگفته است.

پ.ن: اين يكي از پرو»ه هايي بود كه توي دانشكده انجام دادم

 

[فرهنگ]

انواع عملیات مهندسی سطح
افزودن ماده به سطح: رسوب دادن سطحي شامل افزودن ماده اي با تركيب شيميايي متفاوت از زمينه به سطح قطعه است كه برخي از روشهاي آن شامل آبكاري الكتريكي، پوشش دهي بدون استفاده ازجريان برق، رسوب دادن از فاز بخار فيزيكي يا شيميايي و پاشش حرارتي می‌‌باشد.
تغيير ساختار ميكروسكوپي سطح: دراين روش بدون تغيير تركيب به كمك روشهايي مانند عمليات حرارتي به يكي از روشهاي شعله اي، القايي و يا ليزري ساختار ميكروسكوپي سطح تغيير خواهد كرد. دراين روشها عمدتا سختي سطحي بدست آمده و با انتخاب روش و كنترل پارامترها می‌‌توان عمق سختي را كنترل نمود.
تغيير شيميايي سطح: فرآيند تغيير در فلز پايه سطح به شكل غير فلزي بدون افزودن ماده اي جديد و يا تغيير ابعاد است كه خواص متفاوت از خواص اوليه به سطح خواهد داد. سخت كردن توسط عناصر بين نشيني اكسيژن، نيتروژن و كربن و بور بصورت نفوذي از اين جمله اند

 

[فرهنگ]

روش پراکنشی

روش پراکنشی فرآیندی است که در آن توسط فرآند تبادل گشتاور ناشی از بمباران سطح توسط ذرات پرانرژی، مواد از سطح یک جامد جدا و دور می‌شوند، ذرات پرانرژی معمولا یونهای یک گاز خنثی هستند. معمولترین روش در این رابطه، استفاده از تخلیه سریع الکتریکی در اتمسفری از گاز آرگون است. یونهای تولید شده بدین ترتیب، با کاتد برخورد کرده و مواد را از سطح آن آزاد می‌کنند. ذرات آزاد شده معمولا به شکل اتمی هستند. این اتمهای آزاد شده هر سطحی که در حوالی کاتد مستقر شده باسشد برخورد کرده و آن را پوشش می‌دهند. این فرآیند به رسوب پراکنشی (Sputtering Deposition) مرسوم است.
تنها در حدود یک درصد انرژی ذرات بمباران کنده موجب پراکنش ماده از سطح هدف می شود. این در حالی است که در حدود 75% انرژی موجب گرم کردن هدف شده و بقیه آن صرف انتشار الکترونهای ثانویه از هدف می‌گردد.
پراکنش ماگنترونی (Magnetron Sputtering)

یک راه حل بسیار موفق برای افزایش یونیزاسیون و در نتیجه نرخ تشکیل رسوب، استفاده از روش ماگنترون است. در این سیستم الکترون های توسط میدانهای مغناطیسی و الکتریکی محبوس می‌شوند. در این روش الکترونها دارای مسیرهای بسیار طولانی بوده و در امتداد مسیر یونیزاسیون به طور پیوسته ادامه می یابد. در حقیقت، دراین فرآیند یونیزاسیون شدی عامل اصلی پراکنش سریع و نرخهای رسوبگذاری در حد 10000 آنگستروم در دقیقه است. برای افزایش کارآیی سیستم ماگنترون، شکلهای هندسی مختلفی طراخی و ارائه شده است. معمولترین سیستم که بیشترین استفاده را دارد، ماگنترون مسطح یا صفحه‌ای است. در اینجا، مغناطیسهای دائمی، میدانهای مغناطیسی را بوجود می‌آورند. این میدانهای مغناطیسی با میدان الکتریکی در هم آمیخته و یک جریان الکترونی را بوجود می‌آورد. یونیزاسیون شدید موجب تشکیل یک حلقه پلاسما شده که در نتیجه در کاتد یک حفره بوجود می‌آورد. بدین ترتیب هدف یا مواد پوشش خیلی سریع مصرف می‌شود.
ماگنترون استوانه‌ای چنین عیبی (مصرف زیاد) را نخواهد داشت. در اینجا نیز، الکترونها در غلافی از یک پلاسما محبوس شده و در یک شعاعی تقریبا برابر با شعاع آند، کاتد استوانه‌ای را احاطه می‌کند. بدین ترتیب، کاتد به طور یکنواخت خورده می‌شود.

​

هر دو ماگنترونهای مسطح و اتوانه‌ای را میتوان در مقیاس صنعتی ساخت. از ماگنترونهای استوانه‌ای میتوان در فرآیندهای ناپیوسته انواع زیرلایه‌ استفاده کرد. در حالی که از ماگنترونهای مسطح و دراز برای پوشش دهی مداوم زیرلایه‌های مسطح و طویل استفاده می‌شود. چگالی جریانها و فشارهای مورد مصرف در مگنترونها به ترتیب در حدود 10 میکروآمپر بر سانتیمتر مربع و تور است. بنابراین، در اینجا نیز پراکندگی گاز اتمهای پراکنش شده حداقل است. از جمله مزایای دیگر پراکنشی ماگنترونی عبارت از این است که محبوس شدن الکترونها خسارت وارد شده به زیرلایه در اثر بمباران الکترونی را محدود می‌کند.

 

[فرهنگ]

انواع عملیات مهندسی سطح
افزودن ماده به سطح: رسوب دادن سطحي شامل افزودن ماده اي با تركيب شيميايي متفاوت از زمينه به سطح قطعه است كه برخي از روشهاي آن شامل آبكاري الكتريكي، پوشش دهي بدون استفاده ازجريان برق، رسوب دادن از فاز بخار فيزيكي يا شيميايي و پاشش حرارتي می‌‌باشد.
تغيير ساختار ميكروسكوپي سطح: دراين روش بدون تغيير تركيب به كمك روشهايي مانند عمليات حرارتي به يكي از روشهاي شعله اي، القايي و يا ليزري ساختار ميكروسكوپي سطح تغيير خواهد كرد. دراين روشها عمدتا سختي سطحي بدست آمده و با انتخاب روش و كنترل پارامترها می‌‌توان عمق سختي را كنترل نمود.
تغيير شيميايي سطح: فرآيند تغيير در فلز پايه سطح به شكل غير فلزي بدون افزودن ماده اي جديد و يا تغيير ابعاد است كه خواص متفاوت از خواص اوليه به سطح خواهد داد. سخت كردن توسط عناصر بين نشيني اكسيژن، نيتروژن و كربن و بور بصورت نفوذي از اين جمله اند

 

[فرهنگ]

پراکنش مغناطيسي نامتعادل


در پراکنش مغناطيسي نامتعادل، حلقه خارجي مغناطيس مستقيما با قطب مغناطيسي مرکزي در تماس است. در اينجا، تمام خطوط ميدان، بين قطب مرکزي و قطب هاي خارجي بسته نشده اند ولي بعضي از آنها به سمت زير لايه هدايت شگه و بعضي الکترون هاي ثانويه مي توانند از اين خطوط ميدان پيروي کنند. (بدين دليل که دراين روش مغناطيس قوي تري را مي توان نسبت به پراکنش مغناطيسي انتقالي به کار برد.


پراکنش مغناطیسی نامتعادل با میدان بسته
با وجود مزایایی که پاشش نامتعادل ارائه می کند، هنوز هم پوشش دادن یکنواخت اجزاء پیچیده با نرخ قابل قبول از یک منبع مشکل است. بنابراین، برای بهره برداری تجاری از این تکنولوژی سیستم های مگنترون چندتایی معرفی شده اند. در سیستم های چندتایی مگنترون، آرایه های مغناطیسی در مجاورت مگنترون ها می توانند به شکل یکسان یا با پلاریته های مغناطیسی متضاد پیکربندی شوند. در موردی که آرایه ها مشابه و یکسان هستند پیکربندی انجام شده با آیینه (mirrored) و در حالت پلاریته های مغناطیسی متضاد با میدان بسته (closed field) توصیف می شود




در حالت آیینه، خطوط میدان مستقیماً به سمت دیواره های محفظه هستند. الکترون های ثانویه ای که این خطوط را دنبال می کنند گم می شوند و به کاهش چگالی پلاسما در منطقه زیرلایه منجر می شود. برعکس، در پیکربندی میدان بسته، خطوط میدان بین مگنترون ها با هم مرتبط هستند. گم شدن الکترون های ثانویه به سمت جداره های محفظه کم می شود و زیرلایه در منطقه ای با چگالی بالای پلاسما قرار می گیرد.