کندوپاشی(sputtering)چیست؟ آموزش کندوپاشی در خانه!

سلام

در این پست به معرفی کندوپاش و کاربرد های اون میپردازیم تا در قسمت های آینده به روش های انجام اون و چگونگی انجامش در خانه میپردازیم.

در مرحله اول بزارید توضیح بدیم sputtering چیه ؟( از حالا به بعد بهش میگیم کندوپاشی)

کندوپاشی به معنای تبدیل یک نمونه به فاز بخار و قرار دادن اون بخار روی جسم دیگری هست . این فرآیند سه مرحله داره:

۱-تبخیر ماده منبع

۲-انتقال بخار از مبدا به جسم

۳-تشکیل لایه نازک روی جسم

بطور کلی ما در فشاری نزدیک به خلا کامل میایم و یک پلاسما ایجاد میکنیم(بحث نوع گاز فعلا مطرح نیست)و تحت یک میدان ذرات رو از مبدا جدا و روی جسم مد نظر قرار میدیم.

در تصویر زیر یک شمای کلی از اونچه که اتفاق میوفته میتونید ببینید:

خب توی تصویر بالا بصورت خلاصه اتفاقی که میوفته رو میتونید ببینید. حالا بهتره تخصصی تر بررسیش کنیم . متداول ترین روش کندوپاشی کندوپاش مغناطیسی (magnetron sputtering ) هست . حالا این روش چه مزیت هایی داره ؟ توی این روش ما از یک آهنربا استفاده میکنیم که در موازات سطح کاتد قرار میگیره . این عمل باعث میشه که الکترونها به جای طی مسیر بصورت مستقیم ، مسیر مارپیچ رو طی کنن که باعث میشه الکترونها پر انرژی تر بشن و اتم های بیشتری از ماده منبع رو یونیزه کنن.در نتیجه میدان مغناطیسی پلاسما رو در اطراف منبع افزایش میده و احتمال برخورد اتم های یونیزه شده منبع با اتم های گاز رو کاهش میده و در نهایت آهنگ کندوپاشی ما افزایش پیدا میکنه. به دلایلی که گفتیم ،  این روش میتونه سطح بزرگتری رو پوشش بده و در مقیاس صنعتی بسیار به صرفه هست. اگر با PVD(physical vapor deposition) آشنایی داشته باشید ، احتمالا متوجه شباهت بین کندوپاشی و PVD‌شدید. در واقع کندوپاشی یکی از روشهای انجام PVD هست.

قبل از هرچیز بریم سراغ کاربرد های کندوپاشی:

۱-ساخت آینه :

در صورت استفاده از گاز نجیب در محیط کندوپاشی و ولتاژ یا فرکانس صحیح (‌جلوتر توضیح میدم چرا گفتم “یا”)میشه آینه های بسیار صاف و یکدستی تولید کرد . این صاف و یکدست بودن آینه در تولید تلسکوپ خیلی کاربردی و مهمه . جالبه بدونید آینه های تلسکوپ جمیز وب به همین روش ساخته شدن ^منبع و کل طلای مصرف شده برای کندوپاشی این تلسکوپ ۴۸ گرم بوده!^منبع (‌به همین علت بود میگفتیم توی صنعت به صرفه هست چون بازدهی خیلی بالایی داره)

۲-پوشش کندوپاش:

این روش برای قرار دادن یک نمونه در داخل میکروسکوپ الکترون روبشی(Scanning Electron Microscopy)استفاده میشه. اکثرا از جنس طلا یا پالادیوم هست و برای جلوگیری از باردار شدن نمونه در داخل میکروسکوپ ازش استفاده میشه که یک نمونش رو توی تصویر زیر میبینید:

۳-زدایش (Etching):

این کار در صنعت نیمه هادی ها ( مثلا ساخت ویفرها) برای از بین بردن یک نانولایه استفاده میشه.

۴-ساخت عینک های آفتابی/ ساخت عینک های طبی و هزاران کاربرد دیگه.

منبع ولتاژ:

برای کندوپاشی شما نیاز به یک منبع ولتاژ دارید که بتونه از ۵ الی ۷ کیلوولت DC یا فرکانس ۱۴ مگاهرتز تولید کنه. گزینه دوم رو فعلا کنار میزاریم و میریم سراغ همون ۵ الی ۷ کیلوولت. اگر ولتاژ بیشتر از این رنج باشه نمونه میسوزه و اگر کمتر باشه کندوپاشی انجام نمیشه. ایده آل ترین حالت برای تولید این ولتاژ یک ترانس مایکروویو و یک واریاک برای متغییر کردنش هست. به ۴ دیود ولتاژ و جریان بالا ( مثل دیود های مایکروویو ) نیازه که این ولتاژ DC بشه . ( برای ترانس مایکروویو از دیمر های ترایاک دار و کلا هیچ مدل دیمری جز واریاک استفاده نکنید چون یک کلام ،  میترکه ).

فلایبک تلویزیون:

از اونجاییکه قیمت ترانس مایکروویو به شدت بالاست و واریاک از اونم بالاتر ، من خودم شخصا از ترانس فلایبک تلویزیون استفاده کردم . مزایاش این هست که شما توی خروجی DC دارید و نیاز به یکسوسازی نیست و در ورودیش هم میتونید از دیمر ترایاک دار استفاده کنید. یه شمای کلی از قسمت تغذیه کندوپاشی رو میتونید توی تصویر زیر ببینید:

اگر نمیخواید از ترانس فلایبک استفاده کنید این قسمت رو تا “ترانس مایکروویو ” برید پایین و نیاز نیست بخونیدش.

به ترتیب قسمت هارو توضیح میدم:

۱-دیمر:

دیمر توضیح خاصی نداره و یک مدار ساده با ترایاک براش استفاده کردم که میتونید توی تصویر زیر ببینیدش:

این مدار رو به همراه PCB میتونید از این لینک دریافت کنید .

۲-درایو ترانس فلایبک:

برای درایو کردن ترانس فلایبک ، من از یک مدار بالاست لامپ کم مصرف استفاده کردم که از داخل یک لامپ کم مصرف ۳۰ وات خارجش کردم . دقت کنید خازن های روی این مدار تا چندین ساعت بعد خارج شدن از برق هم شارژ میمونن پس مراقب باشید به خودتون آسیب نزنید . مدار بالاست ،۲ یا در خیلی موارد ۴ خروجی برای فیلامان لامپ کم مصرف داره . ما فقط به دو پایه احتیاج داریم. یک پایه از چپ و یک پایه از راست مدار( پایه هایی که از خازن میان استفاده نمیشن)

این دو پایه که به خازن میرن بدرد ما نمیخورن. اون یکی دوپایه میرن به سمت سیم پیچ اولیه ترانس فلایبک ( اون دو سیم مشکی سمت چپ تصویر).

۳-ترانس فلایبک:

برای پیدا کردن سیم پیچ های اولیه ترانس ، مولتی متر رو روی تست اهم بزارید و دوپایه های کنار هم رو به ترتیب اهمش رو بگیرید . به دوپایه میرسید که مقاومتشون حدود ۱.۷ اهم هست این سیم پیچ اولیه هست . دوتا سیمی که از سمت مدار بالاست اومده رو به این سیم پیچ اولیه وصل کنید . در صورت به برق زدن مدار میتونید با ارک قسمت ثانویه رو میتونید پیدا کنید . ( ولی دقت کنید این قسمت شدیدا خطرناکه و با ولتاژی در حدود ۳۰ کیلوولت کار میکنید که درصورت کوچکترین تماسی قطعا مرگ در انتظارتونه) پس اصول محافظت در برابر ولتاژ رو رعایت کنید.مثبت خروجی فلایبک توی تصویر زیر اومده ولی منفی در ترانس های مختلف متفاوته پس خودتون باید پیداش کنید.

۴-خازن HV:

خب برای این قسمت ، نوع خازنی که استفاده شده خازن مایع هست که طرز ساختش به اینصورته که آب نمک غلیظ رو داخل یک ظرف پلاستیکی بریزید و دور ظرف رو آلومینیوم بپیچید . این میشه قسمت منفی . روی آب نمک داخل ظرف روغن بریزید و یک میخ داخل ظرف فرو ببرید تا به آب نمک برسه . ظرف رو ببندید و کاملا با چسب برق عایقش کنید . میخ هم میشه قسمت مثبت مدار.

حالا همه این قطعات رو طبق شماتیک بهم وصل کنید و منبع HV‌حاضره!

ترانس مایکروویو:

با استفاده از ترانس مایکروویو ، نتیجه کار به مراتب بهتر میشه ولی این روش خیلی گرون تره . نکته مهمی که هست ، برای کنترل ولتاژدر ترانس مایکروویو حتما باید از واریاک استفاده کنید و دیمر جوابگو نیست . واریاک با نام های اتو ترانس و واریابل هم شناخته میشه که نمونش رو توی تصویر زیر میبینید:

اطلاعات بیشتر درباره اتوترانس رو میتونید اینجا بخونید.

ترانس مایکروویو رو هم که توی تصویر زیر میبینید:

به چهار عدد دیود مایکروویو هم نیاز دارید برای یکسوسازی جریان . با جریان AC نمیشه کندوپاشی رو انجام داد . توی تصویر زیر میتونید یک شمای کلی از اتصالات ببینید :

بغیر از اینکه حتما باید از دیود مایکروویو استفاده کنید هیچ نکته دیگه ای تو این زمینه وجود نداره.

هسته مگنترون:

از اونجاییکه نوع کندوپاشی که ما انجام میدیم magnetron sputtering هست ، پس ما برای ایجاد یک میدان مغناطیسی ثابت به آهنربا احتیاج داریم . این آهنربا باید مشخصات خاصی داشته باشه . اول از همه باید نئودیمیوم باشه . آهنربا های نئودیمیوم (NdFeB) باید سینترد باشه . این نوع آهنربا در دو مدل سینترد و باندد ساخته میشه که سینترد از باندد قوی تره . ما هم به نوع سینترد نیاز داریم .

آهنربا ها در گرید های مختلفی ساخته میشن که توی جدول زیر میتونید ببینید:

فایل pdf تمام گرید ها رو میتونید از اینجا دانلود کنید.

گرید مورد نیاز ما بهتره دمای ۱۰۰ درجه رو تحمل کنه (مثل 33M) گرید هایی با تحمل 80 درجه هم جوابگو هستن ولی باید فاصله نمونه کندوپاشی با آهنربا در کمترین حالت ممکن باشه و فلوریت پمپ آبی که برای خنک سازی آهنربا استفاده میکنیم بیشتر باشه . درباره روش خنک سازی در ادامه بیشتر توضیح میدم.

آهنربا ها باید شکل خاصی داشته باشن . ما به یک آهربای رینگی مثل شکل زیر با قطبیتی که تو عکس مشخص شده نیاز دارید

میتونید از دو آهنربا برای بیشتر شدن قطر و افزایش قدرت آهنربا استفاده کنید.

آهنربا ها باید بصورت زیر قرار بگیرن:

دلیل اینکه آهنربای وسط Nو حلقه خارجی Sهست اینه که میدان از Nخارج و به S وارد میشه.

خنک سازی آهنربا:

برای خنک سازی آهنربا باید آب گردش داشته باشه. اگر آب رو در تماس با آهنربا خواستید قرار بدید باید با رزین آهنربا رو در برابر رطوبت عایق کنید. یادتون باشه در فشار وکیوم قراره کار کنید پس هرگونه نشتی سیستم رو از بین میبره. اگر با آب اهنربا رو خنک نکنید در طی فرآیند آهنربا خاصیت مغناطیسیش رو بر اثر دما از دست میده و دیگه عمل کندوپاشی انجام نمیشه.

محفظه وکیوم:

برای ساخت محفظه من از یک شیشه مربای کوچک استفاده کردم که روی یک ورقه صاف لبه هاش سمباده زده شده . در نهایت روی یک سطح پلاستیکی قطور با چسب آکواریوم آب بندی شده . از انواع چسبی که استفاده کردم فقط چسب غفاری (همون چسب مزدا) جواب داده که از انواع لوازم یدکی های خودرو میتونید تهیه کنید.

پمپ وکیوم:

برای وکیوم من از پمپ Value VE115N استفاده کردم که توی تصویر زیر میبینیدش:

این پمپ پمپ وکیوم تک مرحله ای هست . به فشار مورد نیاز میرسه اما اگر محفظه کوچک باشه و اتصالات درست باشه. اگر پمپ وکیوم رو ببرید پیش پرس شیلنگ ها بهتون اتصالات صحیح رو میدن. اما برای بستن اتصالات حتما از تلفون مایع استفاده کنید وگرنه نشتی رو هرچند کم ولی خواهید داشت و به نتیجه نمیرسید.تصویر زیر اتصالاتی هست که من استفاده کردم:

یادتون باشه نمونه باید برای کندوپاشی شدن بچرخه در برابر آهنربا. عمل کندوپاشی بین ۴۵ دقیقه الی۱ ساعت طول میکشه بسته به ولتاژ و شدت وکیوم متفاوته.

اینم کاتدمون هست که ته محفظه بصورت یک لایه آلومینیومی قرار گرفته :

توی تصاویر زیر نمونه های پلیت میکروسکوپ کندوپاشی شده رو مشاهده میکنید:

نمونه راست پلیت کندوپاشی شده با اکسید مس بصورت ایده آل

نمونه وسط اگر پلیت ثابت باشه و نچرخه در برابر مگنترون

نمونه سمت چپ هم هر نقطه ای که سایه باشه کندوپاشی نمیشه. این لوگو رو من سایه انداختم و در دستگاه قرار دادم پس فقط نقاطی که نور میخورد کندوپاشی شد.

توی کلیپ های بعدی میتونید ببینید که کدوم sputtering بصورت صحیح انجام میشه و کدوم صحیح نیست.

ویدیو شماره ۱:

این ویدیو یک نمونه اشتباه هست. اشتباهات شامل : فاصله زیاد بین آند و کاتد / نچرخیدن نمونه / استفاده از چسب حرارتی برای نگه داشتن نمونه ( درسته که در روش کندوپاشی نمونه اصلا گرم نمیشه ولی این چسب مناسب اون محیط نیست)/ فضای کم کاتد ( کاتد باید پخش باشه و فضای زیادی رو پوشش بده )/ ایجاد نشدن وکیوم کافی

ویدیو شماره۲:

داخل این ویدیو هم کندوپاشی اشتباه هست. کاتد دقیقا پشت نمونه قرار گرفته که باعث بالارفتن حرارت نمونه میشه . ثابت بودن نمونه هم باعث میشه کندوپاشی بصورت صحیح انجام نشه.

ویدیو شماره ۳ و ۴:

توی دو ویدیو بالا میتونید کندوپاشی صحیح رو ببینید . هم نمونه در حال چرخشه و هم کاتد بصورت گسترده پخش شده.

توی این پست سعی کردیم یک پیش زمینه از کندوپاشی براتون درست کنیم و روشهای صحیح و غلط اون رو بررسی کردیم . بیشتر از این توی پست نمیتونستم درباره کندوپاشی توضیح بدم چون بحث بسیار گسترده ای هست. در هر صورت تلاشم رو کردم و امیدوارم از این پست لذت برده باشید.