دانلود مقاله رسوب دهی لایه های نازک سخت و یا نرم

مورفولوژی یک پوشش بطور عمده به فناوری بکار گرفته شده بستگی دارد. بطور کلی روشهایی که در آن پوشش از فاز بخار رسوب داده می‌شوند. را می‌توان دو گروه اصلی تقسیم کرد روش رسوب شیمیایی بخار CVD و روش رسوب فیزیکی PVD بعلاوه از روشهایی به نام روشهای کمکی یا تحریک شده نیز استفاده می‌شود. بعنوان مثال روش کمکی پلاسمای رسوب شیمیایی بخار PA-CVD یا فرآیندهای دما توسط مانند روش دما متوسط CVD که با MT-CVD نمایش داده می‌شود نیز گسترش پیدا کرده است. همانطور که در شکل 5.1 نشان داده شده است بعنوان مثال به روشهای فوق مواردی مثل پراید های نسوز، کارمیدها، نیتریدها ،اکسیدها وترکیب های مختلفی از این گونه پوششها را میتوان رسوب داد.

5.2 روشهای رسوب شیمیایی بخار

5.2.1 طبقه بندی فناوریهای CVD

در روش رسوب شیمیایی بخار واکنش کننده ها بصورت گاز تامین شده و واکنشهای شیمیایی در اثر گرما در سطح زیر لایه گرم شده انجام می‌شوند. در روشهای CVD معمولا فرآیند در درجه ر600 تا 1100 درجه سانتیگراد انجام می‌شود هزینه فرآیندهایی که در درجه وارستای پایین تر نیز کار می کنند بکار گرفته شده است. در جدول 5.1 می‌توان روشهایی از CVD که بیشتر در صنعت ارز برش بکار می رود را ملاحظه کرد.

In به شکل سنتی خود فناوری CVD بدون فرآیندهای کمکی در فشار محیط مثل پوشش دهی در فشار محیط APCVD ,CVD یا در فشار پایین مثل پوشش دهی به فشار کم CVD استفاده میشود. از فناوری APCVD که به پوشش دهی با دمای بالای (HT-CVD) CVD نیز معروف است بعنوان پرمصرف ترین روش پوشش می‌توان نام برد.

در روش کلاسیک پوشش دهی CVD که از سال 1969 در صنعت بکارگرفته شد از در یک لحظه ای حفاظت شده از اتمسفر محیط،تحت گاز هیدروژن فشار 1 اتمسفر یا کمتر تا 1000C گرم می‌شود. همچنین ترکیبات تبخیر شدنی به اتمسفر هیدروژن اضافه می‌شوند. تا بتوان ترکیبات فلی وغیرفلزی را رسوب داد. یک جنبه مشترک تمام فناوریهای CVD افزودن عنصر مورد نظر در پوشش به شکل یک هالوژن مثل Tic4 در ورد لایه های Ti(cN)  یا TiN ,Tic یا مخلوطی از هالوژنها مثل Ticl4 +Bcl3 در مورد لبه های TiB2 می‌توان نام برد.

5.2.2 روش تحت فشار اتمسفر رسوب شیمیایی بخار (APCVD)

وسایل بکار گرفته شده برای رسوب دهی لایه TiN به روش CVD در شکل 5.2 ارائه شده است در این روش یک محفظه واکنش گرم شده و وسایل انتقال گاز مورد نیاز است. در بیشتر موارد زیر لایه به روش هرفت یا تشعشعی ازداخل محفظه پوشش دهی گرم می‌شود. فرآیند با تغییر دادن درجه حرارت قطعات تحت پوشش ترکیب شیمیایی و فشار گانه ها کنترل میشود. همانطور که قبلا اشاره شد واکنشهای هالیه فلزات مثلا با هیدروژن ،نیتروژن یا متان. بکار گرفته می‌شود تا بتوان پوششهایی مثل انواع نیترید ها یا کاربیدهای فلزات را ایجاد کرد.

بعنوان مثال واکنشهای ذیل برای ایجاد پوششهای به ترتیب نیترید نتیتانیوم وکاربید تیتانیوم بکار گرفته می‌شود:

(1)                                                                       

(2)                       

لایه اکسید آمونیومو را میتوان با واکنش ذیل ایجاد کرد.

                                      (3)

With با مخلوطهایی از هالیه فلزات، هیدروژن ،اکسیژن، نیتروژن ،هیدروکربنها و ترکیبات بر، پوششهای مختلفی از نیترید، کاربید و براید فلزات را میتوان به روش CVD ایجاد کرد. در حال حاضر متداولترین پوشش های ایجاد شده به روش  هستند (شکل 5.3) لایه های ایجاد شده به روش CVD ساختار میکروسکوپی ستونی دارند هر چند رسوبات اولیه گاهی به شکل هم محور هستند.

بطور خاص اندازه دانه وساختار میکروسکوپی اولیه به شدت به شرایط اعمال شده در فرآیند بستگی دارد.

چون فرایند در درجه حرارتهای بالا انجام می‌شود  بین پوشش زیر لایه به میزان قابل توجهی نفوذ صورت می گیرد. بنابراین پوششهای CVD معمولا چسبندگی بین پوشش و زیر لایه را به شدت بهبود می بخشد. در رسوب دهی Tic کربن کاربیدهای زیر لایه باتیتانیوم طی واکنشی تولید Tic می کنند.در اثر کربن زدایی از سطح باعث می‌شود که ناز ترد اما تولید شود و آن نیز به نوبه خود با تخلخهای بسیار در زیر لایه در مرز پوشش –زیرلایه همراه است که در شکل 5.3. نشان داده شده است.

5.2.3 فرایند درجه حرارتهای متوسط (MT- CVD) CVD

اثبات شده که استحکام پارگی در سطح مقطع (TRS) در کاربیدهای 300% یا بیش از آن کاهش می یابد. مشکل ضعیف شدن لبه برش را میتوان با استفاده از فرآیندهای درجه حرارت متوسط رفع کرد یا honing لبه های از در قبل از فرآیند رسوب دهی CVD تا حدودی کاهش داد.

The با انتخاب مناسب واکنشگرهای گازی یا فشارهای کمتر باعث میشود که بتوان در درجه حرارتهای پایین تر رسوب دهی کرد. در موراول هنگام ایجاد لایه Tic هیدروکربن بنزن  را میتوان بجای متان جایگزین کرد برای ایجاد لایه Ti(C,N) بجای CH4 میتوان از استولینتریل  استفاده کرد. فرایند موسوم به رسوب شیمیایی بخار در درجه حرارت متوسط (MT- CVD) در درجه حرارتهای بین دماهای فرایند های HT-CVD ودمای فرایندهای PVD فرایند انجام می‌شود. در حقیقت این فرایند در درجه حرارتهای بین 750 تا 900 درجه سانتیگراد (بطور متوسط 850c) انجام می‌شود. درجه حرارتهای کمتر رسوب دهی باعث کاهش تنشهای رس ماند وبهبود چقرگی در لبه ها می‌شود. ابزار پوشش داده شده به روشMT-CVD در مقایسه با فرایند CVD در درجه حرارتهای بالا مقابل شوکهای حرارتی واز بین رفتن لبه ها مقاومت بیشتری از خود نشان می دهد. این اثرات مفید باعث بهبود کارایی coated inserts در عملیات برشکاری منقطع میشود . در این تقسیم بندی TicN پوشش برتر (ترجمه leading) است.بعلاوه برای دستیابی به فناوری CVD با دقت های بیشتر (fine –trining) از ترکیبی از MT-CVD, CVD می‌توان استفاده کرد.بعنوان مثال با ترکیب یاز MT-CVD برای ایجاد لایه TiCN با حداقل مقدار فاز  و ایجاد لایه  با استفاده از CVD که بتوان ابزار پوش داده شده ای را برای ظرفیتهای باربرداری زیاد ایجاد کرد خصوصا برای بار برداری شدید خشن کاری مناسب است.

In در مورد د وم با کاهش فشار تا حد 1تا5 کیلوپاسکال منجر به فرآیند فشار پایین (Lp- CVD) CVD خواهد شد.

Fig شکل 5.4 مقاومتهای اساسی در ساختار میکروسکوپی از زیر لایه در اثر تکنیکهای رسوب دهی مختلف را نشان می دهد. در یک فرایند خاص CVD  مرسوم به تکنولوژی چند لایه ای (Ml- CVD) CVD که اخرا توسط [s)widia Valemta ابداع شده طی آن بش از 200لایه بسیار بسیار نازک روی یک (insert) ایجاد می‌گردد.

The بیشترین مزیت پوشش ML-CVD آن است که بطور موثر در مقابل انتشار ترکهای میکروسکوپی در ساختار پوشش مقاومت می‌کند. پوششهای ML- CVD دارای سطوحی بسیار نرم بودکه که اصطکاک وحرارت ایجاد شده در اثر جداشدن براده در سطح تیغچه را حداقل می‌کند. تمایل وجود دارد که تیغچه های پوشش داده شده با ML- CVD از جنس  را جایگزین پوششهای متداول کرد. هم چنین فرایندهای پوشش دهی لایه های  معروف به MTML-CVD (فرایندهای متوسط ML- CVD) هم چنین توسعه یافته اند. [5]

5.2.4 روش کمکی پلاسما (ACVD) CVD

Fither برای کاهش بیشتر درجه حرارت میتوان از فعال کردن الکترونی محیط گازی با استفاده از تخلیه (glow) استفاده کرد که این عمل با جریانهای با فرکانس بالا یا با اعمال تکنولوژی لیزر (LCVD) یا اشعه الکترونی (EA CVD) از یک محیط گازی مناسب انجام می‌شود. در فرایند کمکی پلاسما (PACVD) CVD که در آن یک تخلیه الکتریکی در گاز فشار پایین صورت می گرید تا سینک واکنشهای CVD تشدید شود. این فرایند یکی از پرمصرف ترین روشهای رسوب دهی( ترکیب شده) محسوب می‌شود. این فرایند ترکیبی از درجه حرارتهای متوسط رسوب دهی(حدود 600c) وایجاد پوششی با ضخامت مناسب ویکنواخت بدون هیچگونه نیاز به دوران ابزرا در حین فرایند پوشش دهی را ایجاد می‌کند. در فرایند متداول CVD انرژی حرارتی واکنش شیمیایی را فعال می‌کند واین باعث تشکیل پوشش سخت خواهد شد.درروش کمکی پلاسمای CVD فعال شدن در درجه حرارتهای پایین تر با انرژی ذرات ایجاد شده در اثر پلاسما بعنوان مثال تخلیه گاز آرگون جبران می‌شود.

در این روش از منبع انرژی با جریان مستقیم وجریان با امواج رادیویی برای رسوب  دهی پوششهای هادی حرارت مثل Tic,TiN) وپوششهای عایق حرارت  میتوان استفاده کرد.

Figur 5.5 شکل 5.5 بطور شماتیک فرایند PACVD را که در آن از کوره تخلیه glow با استفاده از لوله کوارتز که بوسیله ژنراتور ولتاژ بالا (که میتوان به دلخواه از جریان منقطع با فرکانس رادیویی یا میکرویو استفاده کرد که بوسیله یک میکروپروسسور کنترل می‌شود را نشان می دهد.سیستم خلاء کوره تخلیه glow  به یک پمپ خلا مجهز است که بتوان فشار داده محفظه کاری بین با جریان های مورد نیاز گازهای واکنش کننده بین 1-13mpa تنظیم کرد وبتوان  پس از پایان فرایندهای با هوا محفظه را با هوا پر کرد. تکنیک PACVD که در بالا تشریح شد را می‌توان در محدوده دمایی بین 670 تا 870 درجه کلوین برای مخلوطی از گازهای شامل  برای ایجاد یک لایه یا لایه هایی با ترکیبات مختلف هر یک شامل Ti(C,N) ,Tic,TiN ایجاد کرد. می‌توان بعنوان زیر لایه از فولادهای ابزار، فولادهای HSS وکاربیدهای سمانته استفاده کرد. باید توجه کرد که برای استفاده از فولادهای HSS بعنوان زیر لایه باید عملیات حرارتی مناسب را قبل از عملیات پوشش دهی انجام داد.

A broader هنگام استفاده از اتمسفر های گازی حاوی ترکیبات آلی فلزی با روش PACVD بجز به تخلیه Slow بدون عملیات قبلی میتوان به کاربردهای وسیعتری دست یافت. بعنوان مثال با این فرایند می‌توان لایه های چند جزیی از  ولایه های مرکبی مثل تیتانیوم اکسی نیترید Ti(NCO) که بروی آن لایه های از نیترید تیتانیوم قراردارد را ایجاد کرد مثل Ti(NCO)+TiN [2]