|
เทคนิคการเคลือบฟิล์มบาง (Vapor Deposition)
การตกเคลือบด้วยไอเคมี (Chemical Vapor Deposition, CVD) และ การตกเคลือบด้วยไอทางกายภาพ (Physical Vapor Deposition, PVD) ทั้งสองเทคนิคนี้ช่วยให้เราก้าวข้ามข้อจำกัดในงานวิศวกรรมพื้นผิวแบบเดิม โดยทำให้สับสเตรท (substrate) สามารถใช้งานได้หลากหลายตามชนิดของผิวเคลือบที่สังเคราะห์ได้ เช่น ป้องกันการสึกหรอและการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง ปรับสภาพผิวให้ลื่นเพื่อลดความเสียดทาน และป้องกันการกัดกร่อนจากสารเคมีที่รุนแรง เป็นต้น
1. การตกเคลือบด้วยไอเคมี (Chemical Vapor Deposition, CVD)
CVD เป็นเทคนิคการเคลือบฟิล์มบางประเภทหนึ่งที่ใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์สารกึ่งตัวนำ และอุปกรณ์ระบบเครื่องกลและไฟฟ้าจุลภาค (Microelectromechanical system, MEMS) ในชิ้นส่วนขนาดจุลภาคเหล่านี้จะประกอบด้วยชั้นฟิล์มบางของโลหะ สารกึ่งตัวนำ และฉนวนไฟฟ้าเรียงซ้อนกันเพื่อให้ได้สมบัติที่ต้องการ
สาเหตุที่เทคนิคนี้มีชื่อว่า การตกเคลือบด้วยไอเคมี(CVD) มาจากหลักการพื้นฐานของเทคนิคการเคลือบซึ่งต้องอาศัยปฏิกิริยาเคมีในการสังเคราะห์สารเคลือบ ทั้งนี้สารเคลือบที่ได้เป็นผลลัพธ์จากการทำปฏิกิริยากันระหว่างไอเคมีตั้งต้นกับพื้นผิวที่ต้องการเคลือบโดยตรง หรืออาจเป็นการทำปฏิกิริยาระหว่างไอเคมีมากกว่าหนึ่งชนิดที่อยู่เหนือพื้นผิว แล้วเกิดเป็นสารเคลือบบนพื้นผิวที่ต้องการก็ได้ การได้สารเคลือบที่ต้องการต้องอาศัยความรู้ความเข้าใจในการออกแบบปฏิกิริยาเคมีเป็นอย่างดี
ภาพที่ 1 Principle and Process of CVD with Example of Al2O3
ภาพที่ 2 CVD used in cutting tools
โดยทั่วไปกระบวนการเคลือบ CVD เริ่มต้นจากการนำชิ้นงานที่ต้องการเคลือบใส่เข้าไปในตู้เคลือบที่เป็นระบบปิดเพื่อป้องกันการรั่วไหลของไอเคมีและลดการปนเปื้อนจากอากาศภายนอก จากนั้นจึงปั๊มอากาศภายในตู้ออก โดยปั๊มสุญญากาศ (Vacuum Pump) แล้วจ่ายไอเคมีเข้าสู่ตู้เคลือบจนถึงความดันที่ต้องการ ในขณะเดียวกันก็ให้ความร้อนภายในตู้เคลือบในระดับที่เหมาะสมต่อการเกิดปฏิกิริยาเคมีการสังเคราะห์สารเคลือบ ไอเสียที่เกิดจากกระบวนการจะถูกดูดออก เนื่องจากไอเคมีตั้งต้นที่ใช้จะแพร่กระจายและเติมเต็มช่องว่างที่อยู่ในตู้เคลือบ รวมถึงซอกหลืบต่างๆ บนผิวชิ้นงาน ส่งผลให้การเคลือบบนผิวเกิดได้อย่างทั่วถึงและมีความสม่ำเสมอสูง
อย่างไรก็ตามการเคลือบ CVD มีข้อเสีย คือ ไอเคมีที่ใช้มักมีความอันตรายและเป็นพิษ สารเคลือบที่ได้อาจมีสารตั้งต้นเจือปนอยู่ และปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ต้องใช้ความร้อนค่อนข้างสูง (700-1100 °C)
ดังนั้นในปัจจุบันจึงมีการพัฒนาเทคนิคการเคลือบ CVD ให้สามารถทำได้ที่อุณหภูมิต่ำลง เพื่อป้องกันความเสียหายของชิ้นงานจากความร้อนที่ใช้ในกระบวนการ และมีการทดลองใช้สารเคมีตั้งต้นใหม่ๆ เพื่อให้ได้สารเคลือบที่มีคุณสมบัติตามต้องการมากขึ้น
1.1 การตกเคลือบด้วยไอเคมีโดยอาศัยความร้อน (Thermal CVD processes)
เป็นกระบวนการเคลือบ CVD ที่อาศัยพลังงานความร้อนเป็นตัวก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีในการสังเคราะห์สารเคลือบ แบ่งเป็นสองประเภทหลักตามความดันไอที่ใช้ในตู้เคลือบ ได้แก่ การตกเคลือบด้วยไอเคมีที่ความดันบรรยากาศ Atmospheric-Pressure CVD; APCVD) และการตกเคลือบด้วยไอเคมีที่ความดันต่ำ (Low-Pressure CVD; LPCVD)
1.2 การตกเคลือบด้วยไอเคมีโดยอาศัยพลาสมา (Plasma-enhanced CVD processes: PECVD)
เนื่องจากการเคลือบด้วยกระบวนการตกเคลือบด้วยไอเคมีโดยอาศัยความร้อนต้องทำที่อุณหภูมิสูงจึงไม่สามารถใช้กับงานบางประเภทได้ เช่น การผลิตชิปวงจรรวมต้องมีการเคลือบห่อหุ้มตัววงจรรวมด้วยสารเคลือบซิลิคอนไนไตรด์เพื่อป้องกันระบบวงจรที่อยู่ภายในจากความชื้นในบรรยากาศ ซึ่งขั้นตอนนี้ไม่สามารถใช้อุณหภูมิเกิน 300°C ได้ เนื่องจากจะทำให้ชิปวงจรรวมเสียหาย ดังนั้น จึงมีการพัฒนาเทคนิคการเคลือบ CVD โดยอาศัยพลาสมา (PECVD) ขึ้นมา
ระบบของเทคนิค PECVD มีการเพิ่มขั้วไฟฟ้าเข้าไปในตู้เคลือบซึ่งใช้ความดันไอต่ำ ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่จ่ายระหว่างขั้วไฟฟ้าจะเหนี่ยวนำให้โมเลกุลของไอเคมีที่อยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้านั้นแตกตัวเป็นพลาสมา เนื่องจากสารตั้งต้นที่แตกตัวและอยู่ในพลาสมามีความสามารถในการทำปฏิกิริยาที่สูงขึ้น ส่งผลให้ปฏิกิริยาเคมีการสร้างสารเคลือบเกิดได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าปกติมาก ดังเช่นกรณีของสารเคลือบซิลิคอนไนไตรด์ที่กล่าวมาข้างต้น สามารถสังเคราะห์ได้ที่อุณหภูมิเพียง 300 °C ในขณะที่กระบวนการ LPCVD และ APCVD ต้องใช้อุณหภูมิสูงถึง 750-900 °C
|
