أفران التسخين لتطبيق الترسيب السطحي

مقدمة

تعتبر أفران التسخين حيوية في عمليات الترسيب السطحي للترسيب الفيزيائي للبخار (PVD) والرش الحراري (TSP). تُستخدم هذه التقنيات لإنشاء أغشية وطلاءات رقيقة عن طريق نقل المواد من مصدر إلى ركيزة. في PVD، تعتمد طرق مثل التبخير والرش بالرش والترسيب بالليزر النبضي على التحكم الدقيق في درجة الحرارة التي توفرها أفران التسخين لضمان ترسيب الأغشية عالية الجودة. وبالمثل، في أفران التسخين، تعتبر أفران التسخين ضرورية لتسخين المواد المصدرية إلى حالة منصهرة أو شبه منصهرة، مما يسهل تشكيل طلاءات كثيفة وموحدة. تستكشف هذه المقالة الدور الحاسم لأفران التسخين في كل من عمليات الترسيب الفيزيائي بالبخار الفيزيائي والترسيب الفيزيائي بالطبقة الخارجية مع التركيز على أهميتها في تنظيم درجة الحرارة ونقل المواد والتحكم في خصائص الطلاء.

ترسيب البخار الفيزيائي (PVD)

الترسيب الفيزيائي بالبخار الفيزيائي (PVD) هي تقنية تُستخدم لإنشاء أغشية وطلاءات رقيقة عن طريق نقل المواد فيزيائيًا من مادة مصدر إلى ركيزة. وتتضمن تقنيات الترسيب الفيزيائي بالبخار بالتقنية (PVD) مجموعة متنوعة من الطرق مثل التبخير والتبخير والترشيش والترسيب النبضي بالليزر. ويؤدي الفرن المسخن دورًا رئيسيًا في عملية الترسيب بالطباعة بالطباعة بالرقائق الفسفورية PVD، حيث يوفر التحكم اللازم في درجة الحرارة لتسهيل تبخير المادة أو رشها، وبالتالي ضمان ترسيب غشاء عالي الجودة.

PVD هي تقنية تستخدم عملية فيزيائية لنقل المواد من مادة المصدر إلى الركيزة. وتشمل الخطوات الأساسية تسخين المادة المصدر، مما يؤدي إلى تبخيرها أو رشها لتكوين جسيمات الطور الغازي، ونقل جسيمات الطور الغازي إلى سطح الركيزة في بيئة مفرغة أو منخفضة الضغط، وفي النهاية تكثيف جسيمات الطور الغازي على سطح الركيزة لتشكيل طبقة رقيقة.

الشكل 1 رسم تخطيطي لعملية PVD

يتضمّن دور فرن التسخين في عملية PVD ما يلي:

1. توفير درجة حرارة التبخر:

مصدر التبخر: يُستخدم فرن التسخين لتسخين المادة المصدر بحيث تصل إلى درجة حرارة التبخر وتنتج البخار. تختلف درجة حرارة التبخر من مادة إلى أخرى، وعادة ما تتراوح بين 500 درجة مئوية و3000 درجة مئوية.

التحكم في درجة الحرارة: يتطلب فرن التسخين تحكماً دقيقاً في درجة الحرارة لضمان معدل تبخر مستقر وكثافة تدفق بخار موحدة.

2. تسهيل عملية الاخرق:

تسخين الهدف: في بعض عمليات الاخرق تستخدم أفران التسخين لتسخين الهدف لجعله أكثر عرضة للقصف الأيوني لإنتاج جسيمات الطور الغازي.

تسخين الركيزة: يساعد تسخين الركيزة على تحسين التصاق الفيلم وجودة التبلور. وتتراوح درجات الحرارة النموذجية للركيزة من 100 درجة مئوية إلى 800 درجة مئوية، اعتمادًا على المواد ومتطلبات التطبيق.

3. التحكم في خصائص الفيلم:

بنية الفيلم: تؤثر درجة الحرارة تأثيرًا كبيرًا على البنية البلورية والكثافة والإجهاد في الفيلم. ومن خلال التحكم الدقيق في درجة الحرارة، يمكن تحسين بنية الفيلم وخصائصه.

التحكم في الإجهاد: يمكن استخدام أفران التسخين لتقليل الضغوط الداخلية في الفيلم من خلال تنظيم درجة حرارة الركيزة لتجنب التشقق والتقشير.

غالبًا ما يستخدم فرن التسخين بالمقاومة مع تسخين سلك المقاومة في PVD ويمكن استخدامه لكل من مصدر التبخير والركيزة. ويتميز بالتحكم الدقيق في درجة الحرارة وهو مناسب لمعظم تطبيقات PVD. وهناك أيضًا أفران التسخين بالحزمة الإلكترونية التي تستخدم شعاع إلكتروني لقصف سطح المادة المصدر وتسخينها إلى درجة حرارة التبخير. وهي مناسبة للمواد ذات درجة انصهار عالية مع كفاءة تسخين عالية واستجابة سريعة لدرجة الحرارة. بالإضافة إلى أفران التسخين بالحث، التي تستخدم الحث الكهرومغناطيسي لتسخين المادة المصدر أو الركيزة. وهي سريعة ومناسبة للعمليات التي تتطلب تسخينًا وتبريدًا سريعًا.

تحليل الأمثلة

1. التبخير الحراري (التبخير الحراري): يستخدم لترسيب الأغشية المعدنية والمواد شبه الموصلة والمواد العضوية. يتم استخدام فرن لتسخين المادة المصدر (مثل الذهب والألومنيوم والسيليكون)، مما يؤدي إلى تبخرها وترسيبها على ركيزة لتشكيل طبقة رقيقة. تتراوح درجات الحرارة النموذجية من 600 درجة مئوية إلى 1500 درجة مئوية. 2.

2. التبخير بالحزمة الإلكترونية: يستخدم تبخير الحزمة الإلكترونية لترسيب الأغشية الرقيقة للمواد ذات درجة الانصهار العالية مثل التنجستن والموليبدينوم والمواد الخزفية. يتم استخدام سخان شعاع إلكتروني لتسخين المادة المصدر، مما يؤدي إلى تبخرها عند درجات حرارة عالية وترسيبها على الركيزة. يضمن التحكم الدقيق في درجة حرارة الفرن تشكيل أغشية عالية الجودة.

3. ترسيب الرذاذ: يستخدم ترسيب الرذاذ على نطاق واسع في تصنيع الطلاءات البصرية وأجهزة أشباه الموصلات والطلاءات الصلبة. وتُستخدم الأفران لتسخين الهدف والركيزة لتحسين كفاءة الترسيب بالرشّ وجودة الفيلم. وعادةً ما يتم تسخين الركيزة عند درجات حرارة تتراوح بين 100 درجة مئوية و500 درجة مئوية، مما يساعد في تبلور الفيلم والتصاقه.

الرش الحراري

الرش الحراري (TSP) هو تقنية لتشكيل طلاء عن طريق تسخين مادة مصدرية وتسريعها للتأثير على سطح الركيزة. يلعب الفرن المسخّن دورًا رئيسيًا في عملية الرش الحراري من خلال توفير الطاقة الحرارية اللازمة لتسخين المادة المرشوشة إلى حالة منصهرة أو شبه منصهرة، وبالتالي ضمان تشكيل طلاء عالي الجودة.

والرش الحراري هو عملية تسخين مادة على شكل مسحوق أو سلك إلى حالة منصهرة أو شبه منصهرة ورشها بسرعة عالية على سطح الركيزة لتشكيل طلاء. وتشمل الخطوات الأساسية تسخين المادة المصدر إلى حالة منصهرة أو شبه منصهرة. يتم تسريع الجسيمات المنصهرة ورشها على سطح الركيزة بواسطة تيار غاز عالي الضغط أو قوس كهربائي. تبرد الجسيمات وتتصلب على سطح الركيزة لتشكيل طلاء كثيف.

الشكل 2 إصلاح أبعاد الرش الحراري بالرش الحراري

يشمل دور فرن التسخين في الرش الحراري ما يلي:

1. توفير درجة حرارة الانصهار:

تسخين المواد: يُستخدم الفرن لتسخين مادة الطلاء إلى حالة منصهرة أو شبه منصهرة، عادةً في نطاق 1000 درجة مئوية إلى 3000 درجة مئوية. يستخدم الفرن أيضًا لتسخين مادة الطلاء إلى حالة منصهرة أو شبه منصهرة.

التحكم في درجة الحرارة: يتم التحكم في درجة حرارة التسخين بدقة لضمان أن تحقق المادة السيولة والالتصاق المناسبين لتشكيل طلاء موحد.

2. تعزيز تسريع الجسيمات:

نقل الطاقة بكفاءة: يوفر فرن التسخين طاقة عالية بحيث تكتسب جزيئات المادة في الحالة المنصهرة طاقة حركية كافية للتأثير على سطح الركيزة بسرعة عالية.

تسخين موحد: ضمان تسخين جزيئات المادة بشكل موحد لتجنب عيوب الطلاء الناتجة عن درجات الحرارة غير المتساوية.

3. التحكم في خصائص الطلاء:

بنية الطلاء: يتحكم فرن التسخين في البنية المجهرية والخصائص الكلية للطلاء من خلال ضبط درجة الحرارة ومعلمات الرش.

خصائص الطلاء: تحسين عملية التسخين لتحسين الخواص الميكانيكية للطلاء ومقاومة التآكل والاستقرار الحراري.

ينقسم الرش الحراري إلى تسخين بالرش القوسي، وتسخين بالرش باللهب، وتسخين بالرش بالبلازما، والرش بالحث عالي التردد وفقًا لطريقة التسخين المستخدمة.

1. الرش بالقوس الكهربائي (الرش بالقوس الكهربائي): تعمل درجة الحرارة المرتفعة (حوالي 3000 درجة مئوية) الناتجة عن استخدام تفريغ القوس الكهربائي على إذابة المادة، بحيث تذوب المادة المرشوشة (مثل الزنك والألومنيوم)، بحيث تذوب وترش على سطح الركيزة، لتشكل طبقة واقية كثيفة. مناسب للمواد المعدنية والسبائك، ويتميز بالكفاءة العالية والترسيب السريع. يُستخدم على نطاق واسع في الطلاءات المضادة للتآكل، والطلاءات الموصلة وطلاءات الحماية من التآكل.

2. الرش باللهب: يتم تسخين المادة بواسطة اللهب الناتج عن احتراق الوقود الغازي (مثل الأسيتيلين والهيدروجين) والأكسجين. يتم صهر المادة عن طريق تسخين اللهب ويتم رشها على سطح الركيزة لتشكيل طلاء موحد. عملية الرش باللهب بسيطة ومناسبة للترسيب السريع للطلاء على مساحات كبيرة. وهي مناسبة لطلاء المعادن والسيراميك والبوليمر، وتستخدم على نطاق واسع لإصلاح الأسطح وتقوية الأجزاء الميكانيكية. المعدات بسيطة وسهلة التشغيل ومناسبة لمختلف المواد.

3. رش البلازما (رش البلازما): يتم توليد بلازما ذات درجة حرارة عالية (تصل إلى 10000 درجة مئوية) عن طريق التسخين بالقوس الكهربائي، مما يؤدي إلى صهر المواد المرشوشة. باستخدام مواد التسخين ذات درجة الحرارة العالية للبلازما (مثل الألومينا وأكسيد الإيتريوم الزركونيا المثبتة)، بحيث تذوب وترش بسرعة عالية على سطح الركيزة، وتشكيل طلاء كثيف وقوي لقوة الترابط. مناسبة للمواد ذات نقطة الانصهار العالية (مثل السيراميك) ذات التكثيف العالي والترابط القوي للطلاء. تُستخدم للطلاءات الواقية ذات درجة الحرارة العالية والطلاءات المقاومة للتآكل والطلاءات الطبية الحيوية.

الشكل 3 نظام الرش بالبلازما

4. الرش بالتسخين بالتسخين الحثي عالي التردد: تسخين السلك بمجال كهرومغناطيسي عالي التردد لإذابة السلك ورشه على سطح الركيزة لتشكيل طلاء عالي الجودة. يتميز التسخين بالحث عالي التردد بمزايا التسخين السريع والتحكم الدقيق. إن سرعة التسخين السريع والتحكم الدقيق في درجة الحرارة يجعلها مناسبة للمواد التي تحتاج إلى التسخين بسرعة. تُستخدم في الرش السلكي، وهي مناسبة لإنشاء طلاءات عالية القوة ومقاومة للتآكل.

الخاتمة

تُعد أفران التسخين جزءًا لا يتجزأ من نجاح عمليات الترسيب الفيزيائي للبخار (PVD). فهي توفر التحكم الأساسي في درجة الحرارة اللازمة للتبخير والتبخير وغيرها من طرق نقل المواد، مما يؤثر بشكل مباشر على جودة الأغشية الرقيقة المنتجة. ومن خلال الحفاظ على ظروف درجة حرارة دقيقة، تضمن أفران التسخين معدلات تبخير مستقرة وتدفق بخار موحد وخصائص مثالية للأفلام، مثل البنية البلورية والكثافة ومستويات الإجهاد. Stanford Advanced Materials (SAM) تقدم مجموعة من أفران التسخين عالية الجودة المصممة لتلبية المتطلبات الصارمة لتطبيقات PVD، مما يساعد على تحقيق نتائج طلاء فائقة في مختلف الصناعات.

المراجع:

[1] R. R. Gilman, Czochralski and Floating Zone Crystal Growth of Modern Materials, Springer, 2012.

[2] G. Müller، "دليل نمو البلورات: نمو البلورات السائبة"، إلسيفيير، 2014.

[3] قوه تشين-مين، تشين تشي-هوي. تطوير وتطبيق تكنولوجيا ترسيب البخار في التصنيع الذري. Acta Phys. Sin., 2021, 70(2): 028101. doi: 10.7498/aps.70.70.20201436

[4] R. F. C. Farrow, "Molecular Beam Epitaxy: تطبيقات على المواد الرئيسية"، منشورات نويس، 1995.

[5] L. L. Chang و K. Ploog، "الحزمة الجزيئية الاستشعاعية الجزيئية والبنى المتغايرة"، سبرينجر، 2013.

[6] ليخ بافلوفسكي، "علم وهندسة الطلاء بالرش الحراري"، جون وايلي وأولاده، 2008.

[7] روبرت سي تاكر جونيور، "تكنولوجيا الرش الحراري"، دليل ASM، المجلد 5A، ASM International، 2013.

[8] غيرد دبليو بيكر، "الأفران الصناعية: معدات المعالجة الحرارية"، Wiley-VCH، 2014.