วิศวกรรมพื้นผิว ตอนที่ 3...ฟ ล...

ทความบบ

วศวกรรมพนผว ตอนท 3กระบวนการสรางฟลมบาง

ดวยไอเคมและไอทางกายภาพภายใตสภาวะสญญากาศ

อรณ หลกคำ�

วทวช วงศพศ�ล*

และ ดร.สนธ จนทพนธ

หองปฏบตก�รวเคร�ะหคว�มเสยห�ยของวสด

และเทคโนโลยพนผว

หนวยวจยด�นประสทธผลก�รใชง�นวสด

ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงช�ต

e-mail*: [email protected]

การตกเคลอบดวยไอเคม (Chemical Vapor Deposition, CVD) และ การตกเคลอบดวยไอทางกายภาพ (Physical Vapor Deposition, PVD) เปน เทคนคการสรางฟลมบางทไมถกจำากดดวยแผนภาพเฟส (phase diagram) กลาวคอโครงสรางผลกของฟลมบางสามารถปรบเปลยนไดตามพารามเตอรในการสงเคราะห ทงสองเทคนคนชวยใหเรากาวขามขอจำากดในงานวศวกรรมพนผว แบบเดม โดยทำาใหสบสเตรท (substrate) สามารถใชงานไดหลากหลายตามชนดของ ผวเคลอบทสงเคราะหได เชน ปองกนการสกหรอและการกดกรอนทอณหภมสง ปรบสภาพผวใหลนเพอลดความเสยดทาน และปองกนการกดกรอนจากสารเคม ทรนแรง เปนตน

กรกฎาคม - กนยายน 255734

(ก) (ข)

ภาพท 1 ชปวงจรรวม (integrated circuit chip) ก) ลกษณะภ�ยนอก [ทม�: Inductiveload/Wikimedia Commons] ข) องคประกอบภ�ยในซงประกอบดวยชนของส�รกงตวนำ� ฉนวนไฟฟ� และโลหะ

[ทม�: Cepheiden/Wikimedia Commons/CC-BY-2.5]

สมบตของฟลมบางทมความหลากหลายเหลานสามารถผลตไดดวยตนทนตำาจงสงผลใหเกดการเตบโตของตลาด ฟลมบางขณะเดยวกนกเปนแรงผลกใหเกดการแขงขนและพฒนาเทคโนโลยกลมนอยางกาวกระโดดดงนนเพอตอบสนอง ความตองการของภาคอตสาหกรรมทเพมขนศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาตไดลงทนดานอปกรณและขยายขอบเขต งานวจยดานวศวกรรมพนผวใหครอบคลมงานดานPVDอกทงใหคำาปรกษาและใหบรการวจยในหวขอทเกยวของ บทความนกลาวถงการสรางฟลมบางดวยเทคนคCVDและPVDซงไดรบความนยมในภาคอตสาหกรรมมาก ทงสองเทคนคนมหลกการและจดเดนทแตกตางกนและบางครงมการนำามาใชเพอเสรมกนความเขาใจในเทคโนโลย ทงสองนอยางทองแทจะชวยใหตดสนใจเลอกวธเคลอบฟลมบางไดตรงตามความตองการมากทสด

1. การตกเคลอบดวยไอเคม (Chemical Vapor Deposition, CVD) CVDเปนเทคนคการเคลอบฟลมบางประเภทหนงทใชอยางแพรหลายในอตสาหกรรมไมโครอเลกทรอนกสสาร กงตวนำาและอปกรณระบบเครองกลและไฟฟาจลภาค(Microelectromechanicalsystem,MEMS)ในชนสวนขนาด จลภาคเหลานจะประกอบดวยชนฟลมบางของโลหะสารกงตวนำาและฉนวนไฟฟาซอนเรยงกนเพอใหไดสมบตทตองการ ภาพท1แสดงตวอยางองคประกอบของชปวงจรรวม(IntegratedCircuit:IC)ทประกอบดวยวสดหลายชนและแตละ ชนมความหนาในระดบไมโครเมตรนอกจากจะมการใชเทคนคCVDในงานอเลกทรอนกสแลวยงนำามาใชสรางผวเคลอบ แขงบนชนสวนจกรกลและแมพมพเพอลดการสกหรอและยดอายการใชงานชนสวนเหลานนอกดวย สาเหตทเทคนคนมชอวาการตกเคลอบดวยไอเคม(CVD)มาจากหลกการพนฐานของเทคนคการเคลอบซงตอง อาศยปฏกรยาเคมในการสงเคราะหสารเคลอบทอยในสถานะของแขงจากสารตงตนทอยในสถานะไอ ทงนสารเคลอบท ไดเปนผลลพธจากการทำาปฏกรยากนระหวางไอเคมตงตนกบพนผวทตองการเคลอบโดยตรง หรออาจเปนการทำาปฏกรยา ระหวางไอเคมมากกวาหนงชนดทอยเหนอพนผวแลวเกดเปนสารเคลอบบนพนผวทตองการกได การไดสารเคลอบท ตองการตองอาศยความรความเขาใจในการออกแบบปฏกรยาเคมเปนอยางด โดยทวไปกระบวนการเคลอบCVDเรมตนจากการนำาชนงานทตองการเคลอบใสเขาไปในตเคลอบทเปนระบบ ปดเพอปองกนการรวไหลของไอเคมและลดการปนเปอนจากอากาศภายนอกจากนนจงปมอากาศภายในตออกแลวจาย ไอเคมเขาสตเคลอบจนถงความดนทตองการ ในขณะเดยวกนกใหความรอนภายในตเคลอบในระดบทเหมาะสมตอ การเกดปฏกรยาเคมการสงเคราะหสารเคลอบไอเสยทเกดจากกระบวนการจะถกดดออกภาพท2แสดงแผนผงอยาง งายของระบบCVDซงอาศยความรอนเนองจากไอเคมตงตนทใชจะแพรกระจายและเตมเตมชองวางทอยในตเคลอบ

กรกฎาคม - กนยายน 2557 35

รวมถงซอกหลบตางๆบนผวชนงานสงผลใหการเคลอบบนผวเกดไดอยางทวถงและมความสมำาเสมอสงถอวาเปน จดเดนของการเคลอบCVDและสงผลใหเทคนคนเปนตวเลอกหลกในการเคลอบฟลมบางบนชนงานทมรปรางซบซอน อยางไรกดการเคลอบCVDมขอดอยทไอเคมทใชมกมความอนตรายและเปนพษสารเคลอบทไดอาจมสาร ตงตนเจอปนอยและปฏกรยาเคมสวนใหญตองใชความรอนคอนขางสง(700-1100oC)ดงนนในปจจบนจงมการพฒนา เทคนคการเคลอบCVDใหสามารถทำาไดทอณหภมตำาลงเพอปองกนความเสยหายของชนงานจากความรอนทใชใน กระบวนการและมการทดลองใชสารเคมตงตนใหมๆเพอใหไดสารเคลอบทมสมบตตามตองการมากขน โดยทวไปเทคโนโลยการเคลอบCVDสามารถแบงออกเปนสองประเภทหลกๆตามแหลงพลงงานทใชในการเกด ปฏกรยาเคมคอการเคลอบCVDโดยอาศยความรอนและการเคลอบCVDโดยอาศยพลาสมาในทนจะยกตวอยาง การสงเคราะหสารเคลอบหลากหลายชนดเพอนำาเสนอแงมมตางๆเกยวกบเทคโนโลยการเคลอบCVD

ภ�พท 2 แผนผงอย�งง�ยของระบบ CVD โดยอ�ศยคว�มรอน

1.1การตกเคลอบดวยไอเคมโดยอาศยความรอน(ThermalCVDprocesses) เปนกระบวนการเคลอบCVDทอาศยพลงงานความรอนเปนตวกอใหเกดปฏกรยาเคมในการสงเคราะหสารเคลอบ แบงเปนสองประเภทหลกตามความดนไอทใชในตเคลอบ ไดแก การตกเคลอบดวยไอเคมทความดนบรรยากาศ (Atmospheric-PressureCVD;APCVD)และการตกเคลอบดวยไอเคมทความดนตำา(Low-PressureCVD;LPCVD) 1.1.1 การตกเคลอบดวยไอเคมทความดนบรรยากาศ (Atmospheric-Pressure CVD; APCVD): เปน การเคลอบCVDแบบพนฐานทสดโดยมทงแบบใชอณหภมสง(700-1200oC)และอณหภมตำา(500-700oC)ซงอณหภม ทใชจะกำาหนดโดยปฏกรยาเคมสารตงตนสมบตและโครงสรางจลภาคของสารเคลอบทตองการไดยกตวอยางเชน ฟลมบางของซลคอนทมคณภาพสงและมโครงสรางจลภาคแบบอพแทกเซยล(epitaxial)1ไดจากปฏกรยาเคมท(1)ในขณะทฟลมซลคอนทไดจากปฏกรยาท(2)จะมลกษณะเปนพหผลก(polycrystalline)และมสมบตตางออกไป

SiCl4(g)+2H2(g)gSi(s)+4HCl(g)ท1,200oC----------(1)SiH4(g)gSi(s)+2H2(g)ท650oC----------(2)

นอกจากการเคลอบสารเคลอบกงตวนำาคณภาพสงแลวการเคลอบทอณหภมสงมกนำามาใชเคลอบสารเคลอบแขง เชนTiC,Ti(C,N),TiN,และAl2O3เปนตนเพอปองกนการสกหรอของชนสวนทางวศวกรรมโดยสารเคลอบTi(C,N)ไดจากปฏกรยาท(3)

TiCl4+CH3CN+5/2H2gTi(C,N)+CH4+4HClท700-850oC----------(3)

ในขณะทสารเคลอบTiNสงเคราะหไดจากปฏกรยาท(4)ซงอณหภมในระดบนเหมาะกบการเคลอบชนสวนท ทำาจากคารไบดทมจดหลอมเหลวสงมากกวาแตกรณชนงานททำาจากเหลกกลาเครองมอความรอนจากกระบวนการเคลอบ

1 อพแทกเซยล (epitaxial) ส�รเคลอบทเปนผลกเดยวและมก�รจดเรยงอะตอมหรอโมเลกลสอดคลองกบพนผวข�งใตทเปน ผลกเดยวเหมอนกน (ทม�: พจน�นกรมวสดศ�สตรและเทคโนโลย)


จะสงผลใหสมบตทางกลหรอมตของชนสวนนนเปลยนไปจากเดม ดงนนการเลอกใชเทคโนโลยนจงตองคำานงถงผลกระทบ จากความรอนทใชในกระบวนการทมตอชนงานดวย

2TiCl4+N2+4H2g2TiN+8HClท850-1,200oC-----------(4)

ตวอยางทนาสนใจของการใชเทคนคCVDอกอยางหนงคอความสามารถในการออกแบบการเคลอบใหเกดขน แคบางบรเวณของพนผวโดยไมตองใชเทคนคปดบงสวนทไมตองการเคลอบ ทงนทำาโดยเลอกใชปฏกรยาเคมทเลอกเกด เฉพาะบนบางพนผวเทานนยกตวอยางพนผวทประกอบดวยบรเวณทเปนซลคอนและซลคอนไดออกไซดสามารถเลอก เคลอบโลหะบางตวเชนทงสเตนบนบรเวณทเปนซลคอนไดโดยใชปฏกรยาท(5)ซงปฏกรยานจะไมเกดขนบรเวณทเปน ซลคอนไดออกไซดเนองจากปฏกรยาเคมนตองใชซลคอนเทานน

2WF6+3Sig2W+3SiF4-----------(5)

จากตวอยางทยกมาขางตนจะสงเกตเหนวาสารเคมตงตนและสารเคมทเหลอใชจากกระบวนการเคลอบCVD มกมความเปนพษมฤทธกดกรอนหรอตดไฟงายดงนนการจดการและควบคมสารเคมในกระบวนการผลตจงเปนสงสำาคญ มากเพราะเกยวของกบความปลอดภยของผปฏบตงานและความยงยนของสงแวดลอม

1.1.2 การตกเคลอบดวยไอเคมทความดนตำา (Low-Pressure CVD: LPCVD): เปนเทคนคการเคลอบท พฒนามาจากการเคลอบAPCVD โดยมจดเดนทสำาคญคอ สามารถเคลอบชนงานไดครงละจำานวนมากเมอเทยบกบ ตเคลอบAPCVDทมขนาดเทากนกลาวคอทระดบความดน0.1-1PaทใชกนทวไปในLPCVD(นอยกวาAPCVD ราว103-106เทา)ไอเคมจะแพรเขาถงผวชนงานไดเรวขนสงผลใหกระบวนการสงเคราะหสารเคลอบถกควบคมดวย ปฏกรยาเคมทผวมากกวาการแพรของไอเคมมาสผว ทำาใหการวางชนงานอยางหนาแนนในตเคลอบไมกระทบตอ ความสมำาเสมอในการเคลอบมากนก ภาพท3แสดงชนเคลอบซลคอนแบบพหผลกทปกคลมพนผวชนงานอยางทวถงแมกระทงในบรเวณรองทม ความกวางของรองเพยง3-4ไมโครเมตรและลกประมาณ10ไมโครเมตรความหนาของชนเคลอบบนผนงทงสามดาน ของรองมความสมำาเสมอมากอยางไรกดเนองจากความดนทใชในตเคลอบตำากวาระบบAPCVDมากดงนนสารตงตน ทเลอกใชควรมความเขมขนของตวทำาปฏกรยาสงกวาเพอใหอตราการเคลอบอยในระดบทแขงขนได รวมถงตองใชปม อากาศประสทธภาพสงเพอควบคมความดนภายในตใหอยในระดบตำาดวย

ภ�พท 3 ชนเคลอบซลคอนแบบพหผลกทเคลอบบนพนผวซลคอนดวยเทคนค LPCVD[ทม�: ศนยเทคโนโลยไมโครอเลกทรอนกส (Thai Microelectronics Center: TMEC)]


1.2การตกเคลอบดวยไอเคมโดยอาศยพลาสมา(Plasma-enhancedCVDprocesses:PECVD) เนองจากการเคลอบดวยกระบวนการตกเคลอบดวยไอเคมโดยอาศยความรอนตองทำาทอณหภมสงจงไม สามารถใชกบงานบางประเภทไดเชนการผลตชปวงจรรวมตองมการเคลอบหอหมตววงจรรวมดวยสารเคลอบซลคอน ไนไตรดเพอปองกนระบบวงจรทอยภายในจากความชนในบรรยากาศซงขนตอนนไมสามารถใชอณหภมเกน300oCได เนองจากจะทำาใหชปวงจรรวมเสยหายดงนนจงมการพฒนาเทคนคการเคลอบCVDโดยอาศยพลาสมา(PECVD)ขนมา ระบบของเทคนคPECVDมการเพมขวไฟฟาเขาไปในตเคลอบซงใชความดนไอตำาความตางศกยไฟฟาทจาย ระหวางขวไฟฟาจะเหนยวนำาใหโมเลกลของไอเคมทอยระหวางขวไฟฟานนแตกตวเปนพลาสมาเนองจากสารตงตนท แตกตวและอยในพลาสมามความสามารถในการทำาปฏกรยาทสงขน สงผลใหปฏกรยาเคมการสรางสารเคลอบเกดไดท อณหภมตำากวาปกตมากดงเชนกรณของสารเคลอบซลคอนไนไตรดทกลาวมาขางตนสามารถสงเคราะหไดทอณหภมเพยง 300oCในขณะทกระบวนการLPCVDและAPCVDตองใชอณหภมสงถง750-900oC นอกจากงานดานอเลกทรอนกสแลวยงมการนำาเทคนคPECVDมาใชผลตสารเคลอบแขงตวอยางทนาสนใจไดแกฟลมบางของเพชรโดยทวไปสงเคราะหขนจากกาซCH4และH2ทอณหภมสง(ประมาณ2,000oC)และ ความดนตำาโดยไฮโดรเจนอะตอมเดยว(ทไดจากการแตกตวของไฮโดรเจนอะตอมค)มบทบาทสำาคญในการยบยงการเกด พนธะแกรไฟตซงเปนรปแบบหนงของคารบอนทเราไมตองการสงผลใหเกดผลกเพชรขนไดอยางสะดวกปจจบนนไดม การนำาพลาสมามาใชเพอกระตนไอมเทน และชวยใหเกดการแตกตวของไฮโดรเจนอะตอมค สงผลใหไดอตราการสราง ฟลมทสงขนสารเคลอบเพชรนจะใชเคลอบบนคมตดในเครองมอตางๆเพอเพมความแขงและลดการสกหรอสมบต การนำาความรอนทดของเพชรสงผลใหสารเคลอบเพชรระบายความรอนออกจากบรเวณสมผสไดดและมการนำามาใช เพอระบายความรอนออกจากไมโครชปในงานดานอเลกทรอนกสอกดวย อกรปแบบหนงของสารเคลอบคารบอนทเปนทนยมคอสารเคลอบคารบอนคลายเพชร(Diamond-likecarbon: DLC) ซงเปนสารเคลอบทมองคประกอบผสมระหวางคารบอนทอยในรปแบบของพนธะเพชรและพนธะแกรไฟตสงผล ใหมสมบตความแขงของเพชรและความลนของแกรไฟตในการสงเคราะหสารเคลอบDLCจะใชความพเศษของระบบ พลาสมาในการบงคบใหไอออนในพลาสมาพงเขาชนผวเคลอบคารบอนทกำาลงสรางขนไดสงผลใหเกดการสรางพนธะ เพชรขนบางสวนในสารเคลอบปจจบนนมการนำาฟลมบางDLCมาใชกนอยางแพรหลายเชนเคลอบหวอานฮารดดสก ใบมดโกนหนวดรวมถงชนสวนทางกลทตองรบภาระเสยดสอกดวย

2. การตกเคลอบดวยไอทางกายภาพ (Physical Vapor Deposition, PVD) PVDเปนเทคนคการสรางฟลมบางทใชกลไกทางกายภาพเชนสปตเตอรง(sputtering)และการระเหย (evaporation)เพอทำาใหสารตงตนกลายเปนไอจากนนไอ(ซงเปนไดทงอะตอมหรอไอออน)ทเกดขนจะตกเคลอบบน สบสเตรทหรอชนงาน(ภาพท4) ปจจบนมการใชเทคนคPVDอยางแพรหลายในอตสาหกรรมตางๆเชนอตสาหกรรมการเคลอบกระจกอตสาหกรรมยานยนต และอตสาหกรรมอเลกทรอนกส เพราะมจดเดนทกระบวนการเคลอบใชความรอนตำา ใชแกสทไมเปนพษและไมซบซอน

ภ�พท 4 แผนภ�พกระบวนก�รสร�งฟลมบ�งดวยไอท�งก�ยภ�พ


วธททำาใหเกดไอทางกายภาพแบงเปน2กลมใหญคอ 2.1วธการสปตเตอรง(SputteringPVD)เปนกระบวนการททำาใหอะตอมของสารตงตน(sputteringtarget) หลดออก โดยทำาใหกาซเฉอย2ทปอนเขามาบรเวณผวหนาของสารตงตนเกดสภาวะพลาสมา3 และไอออนของกาซเฉอย ทเกดขนจะเขาชนผวของสารตงตนใหหลดออกอยางตอเนองเกดเปนไอของสารตงตน และเคลอนทไปเรยงตวทผวของ สบสเตรท(ภาพท5)

ภ�พท 5 กระบวนก�รเคลอบฟลมบ�งแบบ PVD Magnetron Sputtering

2.2วธการระเหยสาร(EvaporativePVD)เปนกระบวนการททำาใหสารตงตนระเหยกลายเปนไอโดยให ความรอนแกสารตงตนดวยวธการตางๆเชนใชไฟฟาใชลำาอเลกตรอน(E-Beam)และแคโทดกอารก(cathodicarc)4 เปนตนไอของสารตงตนจะฟงกระจายไปกระทบสบสเตรทแลวเกดการควบแนนเกาะพอกเปนชนเคลอบลกษณะคลาย กบวธการสปตเตอรง ไอของสารตงตนทไดจากกระบวนการสปตเตอรงจะมพลงงานสงกวาการระเหยสารมากจงสามารถฝงในเนอ สบสเตรทไดด ทำาใหการยดตดของฟลมบางดวยวธสปตเตอรงดกวาวธการระเหยสารมาก หากแรงยดตดของฟลมบาง กบสบสเตรทตำาจะทำาใหฟลมบางหลดออกงาย เทคนคPVDมวธททำาเกดไอของสารตงตนไดหลายระบบแตละระบบตางมขอดและขอดอยแตกตางกนไปจง ตองเลอกใชใหเหมาะสมกบงาน การศกษาวจยเกยวกบการเคลอบฟลมบางแบบPVDมมานานแลวและในปจจบนอตสาหกรรมใหความสนใจ เพราะการเคลอบฟลมบางแบบPVDมขอเดนหลายประการเชนชนงานทตองการเคลอบไมจำาเปนตองนำาไฟฟาทำาให เคลอบชนงานประเภทพลาสตกได ในกระบวนการเคลอบอาจใชหรอไมใชความรอนกได ในกรณทไมใชความรอนก สามารถเคลอบชนงานทออนไหวตอความรอนไดชนเคลอบทไดมลกษณะเปนฟลมบางมความหนาในระดบไมโครเมตร ทำาใหขนาดของชนงานหลงการเคลอบไมเปลยนแปลงไปจากเดมและทสำาคญคอเปนมตรตอสงแวดลอมเพราะทำาในระบบ สญญากาศและไมใชสารเคม

2 ก�ซเฉอยในทนคอ อ�รกอน ซงเปนก�ซทมขน�ดโมเลกลใหญ และมร�ค�ตำ�เมอเทยบกบก�ซเฉอยชนดอนๆ3 พล�สม�คอ สถ�นะหนงของสส�ร ประกอบดวยไอออนบวก (หรออะตอมทสญเสยอเลกตรอนไป) กบอเลกตรอน (ทม�: พจน�นกรมวสดศ�สตรและเทคโนโลย)4 แคโทดกอ�รก (cathodic arc) เปนวธทใชอ�รกไฟฟ�เพอทำ�ใหส�รตงตนทขวแคโทดกล�ยเปนไอ


การใชงาน การเคลอบฟลมบางแบบPVDใชเคลอบวสดในอตสาหกรรมไดหลายชนดเชน 1.อปกรณทางเครองจกรกลเชนดอกสวานดอกกดใบมดกลงเมอนำามาเคลอบผวดวยวสดทมความแขง และทนอณหภมสงจะชวยยดอายการใชงานได3-8เทาชนดฟลมบางทใชไดแกTiC,TiN,CrC,TiAlN, AlTiNและAlCrNเปนตน 2. แมพมพเชนแมพมพขนรปโลหะแมพมพพลาสตกแมกระทงแมพมพฉดขนรปอะลมเนยมผวฟลมบาง ทำาหนาทปองกนการสกหรอจากการเสยดสและการเชอมตดของเนอโลหะกบแมพมพทำาใหลดของเสยยด อายแมพมพอกทงลดเวลาในการผลตชนดฟลมบางทใชไดแกTiAlN,TiCrNและAlTiCrNเปนตน 3. เครองประดบ เชน เครองประดบทตองการความสวยงามหลากส เชน สายและตวเรอนนาฬกา กรอบ แวนตาตมหและสรอยคอเปนตนฟลมจะทำาใหผวของเครองประดบสวยงามและทนทางตอการขดขวน ชนดฟลมบางทใชไดแกTiN,ZrN,TaNและHfNเปนตน 4. อปกรณทเกยวของกบสมบตทางแสงเชนเคลอบเลนสแวนตาเคลอบกนการสะทอนเคลอบกระจกกน ความรอนการเคลอบแผนกรองแสงแบบตางๆเปนตนการเคลอบฟลมบางแบบPVDกรณนเปนการเคลอบ บางแบบหลายชนเพอยอมใหแสงผานหรอสะทอนแสงในชวงความยาวคลนทกำาหนด ชนดฟลมบางทใช ไดแกSiO2,MgF2,ZrO2,TiO2และTa2O5เปนตน 5. อปกรณทเกยวของกบสมบตทางไฟฟาเชนการเคลอบฟลมตวตานทานฟลมตวเกบประจฟลมแมเหลก ซงตวอยางหลงนนำามาใชในอปกรณบนทกความจำาหรอการเคลอบผวโฟโตคอนดกเตอร(photoconductor) เปนตน การเคลอบฟลมบางแบบPVDสามารถนำามาใชแกปญหาดานไทรโบโลจ(tribology)5ทเกดในอตสาหกรรม เครองมอและสวนประกอบทมความเคนสงอนๆเชนอตสาหกรรมยานยนตหรออากาศยานจงจำาเปนตองพฒนาวสด ฟลมบางชนดใหมทสามารถใชงานไดหลายดานเพอเพมสมบตและประสทธภาพดานเชงกลและทางเคมและการใชงาน ทอณหภมสง ตวอยางการปรบปรงผววสดทนยมคอไนไตรดของธาตสองชนด(binarynitride)เชนไทเทเนยมไนไตรด (TiN)เนองจากเปนชนเคลอบทมความแขงสงทนตอการสกหรอและการสกกรอนไดดมอายการใชงานยาวนานจงนยม นำามาเคลอบบนผวอปกรณเครองจกรตางๆ เชน เครองมอตดเจาะบางกรณชนเคลอบฟลมมสทองซงมสมบตดาน ความสวยงามอกดวย ขอดอยของTiNคอเกดการออกซไดซ(oxidize)ทอณหภมสงจงมการปรบปรงชนเคลอบTiNใหมสมบตดขน วธหนงทไดรบความสนใจคอ การเพมอะตอม เชน อะลมเนยม (Al) เขาไปในชนเคลอบTiN เพอใหเกดสารละลาย ของแขง(solidsolution)ของTiAlNซงเปนสารประกอบไนไตรดของธาตสามชนด(ternarynitride)มาใชแทน เพราะนอกจากจะปองกนการเกดออกซเดชนทอณหภมสงขนไดแลวยงมสมบตทางกายภาพสมบตเชงกลและสมบตทาง ไทรโบโลจดกวาของTiN ภาพท 6 เปนแผนภาพแสดงแนวโนมการพฒนาเทคโนโลยฟลมบางดวยไอทางกายภาพและทางเคม จะเหนวา โครงสรางผวเคลอบมการพฒนาเรมจากฟลมบางเพยง1-2ชนฟลมบางหลายชนฟลมบางทสามารถออกแบบโครงสราง ระดบนาโนและฟลมบางทสามารถควบคมโครงสรางใหสามารถตอบสนองตอลกษณะเฉพาะของงานตามลำาดบการท เทคโนโลยนไดรบการพฒนาในหลายดาน(เชนวสดเคลอบและกระบวนการ)อยางรวดเรวเพราะมแรงผลกดนหลายอยาง เชนการเกดขนของเทคโนโลยใหมทตองการเทคโนโลยฟลมบางเพอตอบสนองฟงกชนใหมความตองการของผประกอบการ ทตองการเพมความสามารถในการแขงขนรวมถงความตองการของผบรโภคทตองการผลตภณฑทมคณภาพเปนตน

5 ไทรโบโลจ (tribology) คอ ศ�สตรและเทคโนโลยทว�ดวยก�รศกษ�เกยวกบอนตรกรย�ทพนผว อนเนองม�จ�กก�รเคลอนท ต�งๆ และทเกดขนจรงในท�งปฏบต รวมถงแรงเสยดท�น ส�รหลอลน และก�รสกหรอ (ทม�: พจน�นกรมวสดศ�สตรและ เทคโนโลย)


ภ�พท 6 แนวโนมของเทคโนโลยก�รสร�งฟลมบ�งดวยไอท�งก�ยภ�พและท�งเคม [Donnet C.]

ขอแนะนำาสำาหรบผประกอบการและผใช ผประกอบการทเหนศกยภาพของเทคนค PVD และตองการลงทนในเทคโนโลยน จำาเปนตองพจารณาในทก ดานทสอดคลองกบรปแบบของกจการของตน เชน กรณอตสาหกรรมเครองประดบ หลายปทผานมาชางเจยระไนไทย มความโดดเดนในทกษะเชงศลปะสงกวาชางเจยระไนจากประเทศอนๆ อตราการเตบโตในอตสาหกรรมนจงสงขน อยางตอเนองและมผประกอบการใหมเกดขนมากมาย การแขงขนในการตลาดทสงมากกอใหเกดแรงผลกดนในการนำา เทคโนโลยฟลมบางPVDมาเปนกลยทธในการแขงขนเพราะตนทนการผลตตอหนวยตำาไดคณภาพของผวดอตรา การผลตสงและไมเกดปญหาทางกฎหมายดานสงแวดลอมทำาใหบรษทขนาดใหญสามารถเพมสวนแบงการตลาดได มากขนอยางไรกดPVDเปนเทคโนโลยทตองการผควบคมทมวธคดและทกษะในเชงวทยาศาสตรเพอลดโอกาสการเกด ความเสยหายโดยไมจำาเปน(คาบำารงรกษาโดยทวไปตำาแตคาซอมอปกรณมราคาสง)ผควบคมระบบจงเปนหวใจใน ความสำาเรจของผประกอบการ ผเลอกใช เทคนคPVD เพอเพมประสทธภาพของงาน (สงจางเคลอบผวฟลมบางPVD)ควรเขาใจกลไก ความเสยหาย กลาวคอลำาดบเหตการณของความเสยหายวาสบเนองหรอสมพนธกนอยางไร ตวอยางเชน คมตดของ ดอกสวานดอกสวานสวนหนงทำามาจากเหลกกลาความเรวสง(high-speedsteel)6กลไกความเสยหายของดอกสวาน ทเกดขนคอปลายคมตดเคลอนทสมพทธกบโลหะทถกตดจงเกดการสกหรอแบบขดถ(abrasion)ดอกสวานทหมนดวย ความเรวสงเคลอนทตดผวโลหะจะเกดการสะสมความรอนสงทปลายคมตด แรงกดของปลายคมตดและระดบความรอน กอใหเกดการเชอมตดของวสดในระดบไมโคร(micro-welding)เมอเกดการแตกหกของสวนทเชอมตดขนาดเลกนและ เกดการเชอมตดสลบกนสงผลใหเกดการสกหรอแบบยดตด(adhesion)ดงนนหากเคลอบฟลมบางกนความรอนจะชวย ลดการสะสมของอณหภมทปลายคมตดและปองกนการเกดการเชอมตดของวสดในระดบไมโคร ซงสามารถยดอายการใช งานคมตดไดถง3-8เทาเลยทเดยว กรณอนๆ รปแบบของความเคนทกระจายบนผวฟลมบางยอมแตกตางกนไป ดงนน ปจจยทมอทธพลตอ ประสทธผลของฟลมบางคอชนดของชนงานเทคนคการชบแขงลกษณะสวนโคงทรบแรงและสภาวะการหลอเยน/ หลอลนการพจารณาประสทธผลจงตองพจารณาองครวมทแทจรงและควรเกบขอมลและวเคราะหผลไปตามลำาดบ เทคนคหนงของการเกบขอมลคณภาพผวเคลอบคอ ในแตละลอตของการสงจางเคลอบผวใหเกบตวอยางไว สวนหนงเพอทำาการประเมนเปรยบเทยบหรอใชอางองหากมปญหาในภายหลงหรออาจใชวธสงจางใหหนวยงานกลาง วเคราะหสมบตฟลมบางซงเปนอกวธทชวยใหเกดการพฒนาอยางรวดเรว

6 เหลกกล�คว�มเรวสง (high-speed steel) คอ เหลกกล�ชนดแขงม�กกลมหนง มทงสเตน 12-22% ผสมอยรวมกบโครเมยม ว�เนเดยม โมลบดนม และธ�ตอย�งอนในปรม�ณเลกนอย ใชทำ�เครองมอเนองจ�กยงคงคว�มแขงอยแมรอนจนแดง (ทม�: พจน�นกรมวสดศ�สตรและเทคโนโลย)


สวทช.มเครองมอทสามารถวเคราะหฟลมบางไดเชนกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสแกนนงทใชแหลงกำาเนด อเลกตรอนแบบฟลดอมชชน(FieldEmissionScanningElectronMicroscope,FE-SEM)ใชศกษาโครงสราง จลภาคกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบทรานสมชชน(TEM)ใชศกษาพนผวและโครงสรางผลกเครองเอกซเรยมมแคบ (lowangleXRD)ใชวเคราะหชนดของฟลมเปนตน

สรป เทคโนโลยการเคลอบฟลมบางไดแกการตกเคลอบดวยไอทางเคม(CVD)และการตกเคลอบดวยไอทางกายภาพ (PVD)เขามามบทบาทในหลายภาคอตสาหกรรมเพอยดอายการใชงานชนสวนทางกลสำาหรบการผลตใหความสวยงาม แกพนผวเครองประดบเพมสมบตทางแสงและไฟฟาใหแกพนผวใชในการขนรปอปกรณระบบเครองกลและไฟฟาจลภาค สมยใหม ดวยจดเดนของเทคโนโลยทงสองนทสามารถสรางฟลมทบางมากไดจงตอบสนองตอการเตบโตดานนาโนเทคโนโลย ไดเปนอยางด นอกจากนยงมการพฒนาสารเคลอบอยางตอเนองเชนการสงเคราะหฟลมนาโนคอมโพสตซงทำาใหเกดสมบต ใหมๆทหลากหลายและครอบคลมการใชงานรอบดานมากขนอยางไรกดเทคโนโลยทงสองนมจดเดนทตางกนดงนน เพอใหเกดความพงพอใจสงสดผใชควรพจารณาเลอกใชเทคนคทเหมาะสม การเคลอบ CVD ใหชนเคลอบทมความสมำาเสมอและปกคลมอยางทวถงบนชนงานทมรปรางซบซอน แตใน กระบวนการมกใชอณหภมสงรวมถงสารเคมทเกยวของมความอนตรายและตองอาศยการจดการทดเพอไมใหเปนภย ตอผปฏบตงานและสงแวดลอมขณะทPVDจะเหมาะกบชนงานทมรปรางไมซบซอนมากนกไมตองใชสารเคมอนตราย และทำาทอณหภมตำากวาCVDจงสามารถเคลอบบนวสดไดหลากกลายชนด เทคนคCVDและPVDยงคงไดรบการพฒนาอยางตอเนองและมการนำาหลกการของอกเทคนคหนงมาใช เพมศกยภาพของอกเทคนคหนงดวยกลาวคอมการใชสภาวะความดนตำาและพลาสมาซงเปนสภาวะพนฐานของการเคลอบ PVDแบบสปตเตอรงมาใชในการเคลอบCVDในทางกลบกนกมการนำาปฏกรยาเคมมาใชในการเคลอบแบบPVDมากขน ทำาใหเสนแบงระหวางสองเทคนคนจางลง

(a) (b)

(c) (d)

ภ�พท 7 ตวอย�งง�นวจยทเกยวของกบฟลมบ�งของศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงช�ต (a) เครองสงเคร�ะหฟลมบ�งแมกนตรอนสปตเตอรงโดยใชแหลงจ�ย DC pulsed , RF และ DC pulsed bias

(b) ไอส�รและแสงจ�กอปกรณใหคว�มรอนแกชนง�นภ�ยในเต�สญญ�ก�ศ (c) ฟลมบ�งแขงเพอต�นท�นก�รสกหรอของแมพมพขนรปอะลมเนยมแผน และ (d) ก�รปรบเปลยนสของฟลมบ�ง


ปจจบนนศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาต(เอมเทค)มกลมวจยดานเทคโนโลยฟลมบางซงเนนดาน การเคลอบPVDแบบสปตเตอรงผสนใจสามารถสอบถามขอมลไดท

หองปฏบตการวเคราะหความเสยหายของวสดและเทคโนโลยพนผวหนวยวจยดานประสทธผลการใชงานวสดศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาต

โทร025646500ตอ4155,4284(วทวช)

เอกสารอางอง1. Ohring, M. (2002) Materials Science of Thin Films 2nd edition. San Diego, CA: Academic Press.2. Dobkin, D.M. and Zuraw, M.K. (2003) Principles of Chemical Vapor Deposition. Dordrecht, The

Netherlands: Kluwer Academic.3. C.M. Cotell, J.A. Sprague, and F.A. Smidt, Jr (Eds.). (1994). ASM Handbook, Volume 5: Surface

engineering 10th edition. Materials Park, OH: ASM International.4. Lee, S.T., Lin, Zhangda, Jiang, Xin. (1999). CVD diamond films: nucleation and growth. Materials

Science and Engineering, 25, 123-154.5. Grill, A. (1999). Diamond-like carbon: state of the art. Diamond and Related Materials, 8, 428-434.6. H.C. Barshilia, K. Yogesh, K. Rajam, “Deposition of TiAlN coatings using reactive bipolar-pulsed

direct current unbalanced magnetron sputtering”, Vacuum, 2008, 83, 427-434. 7. http://www.hauzertechnocoating.com/en/plasma-coating-explained/pvd-coating-technology/8. T. Bell, H. Dong, Y. Sun, “Realising the potential of duplex surface engineering”, Tribology International,

1998, 31, 127-137.9. M. Stueber, H. Holleck, H. Leiste, K. Seemann, S. Ulrich, C. Ziebert, “Concepts for the design of

advanced nanoscale PVD multilayer protective thin films”, Journal of Alloys and Compounds, 2009, 483, 321-333

10. http://www.thep-center.org/src/current_news_read_t.php?current_news_id=9611. H.C. Barshilia, K. Yogesh, K. Rajam, “Deposition of TiAlN coatings using reactive bipolar-pulsed direct

current unbalanced magnetron sputtering”, Vacuum, 2008, 83, 427-434. 12. http://www.hauzertechnocoating.com/en/plasma-coating-explained/pvd-coating-technology/13. T. Bell, H. Dong, Y. Sun, “Realising the potential of duplex surface engineering”, Tribology International,

1998, 31, 127-137.14. M. Stueber, H. Holleck, H. Leiste, K. Seemann, S. Ulrich, C. Ziebert, “Concepts for the design of

advanced nanoscale PVD multilayer protective thin films”, Journal of Alloys and Compounds, 2009, 483, 321-333

15. http://www.thep-center.org/src/current_news_read_t.php?current_news_id=9616. Donnet C, Erdemir A. Historical developments and new trends in tribological and solid lubricant

coatings. Surf Coat Technology 2004;180–181:76–84

วิศวกรรมพื้นผิว ตอนที่ 3...ฟ ล...

Documents