Công nghệ tạo lớp phủ bề mặt CVD

Công nghệ tạo lớp phủ bề mặt CVD

CHUYÊN ĐỀ KHOA HỌC BỀ MẶ T

Đề tài : Công nghệ tạo lớp phủ bề mặt CVD

NỘI DUNG

Nguyên lý tạo lớp phủ CVD Cấu tạo hệ thống phủ CVD

Cách xử lý thực hiện tạo lớp phủ CVD

Ứng dụng của lớp phủ CVD

CVD là công nghệ tạo lớp phủ từ pha khí,được

áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ để tạo

lớp phủ kim loạị và ceramic lên chi tiết.

Lớp phủ chống

mài mòn:TiC,TiN,

Al2O3…

Lớp phủ chống ăn

mòn : Cr,Al,Si,SiC…

Lớp phủ cho ngành điện tử : AsGa, SiO2

CVD

LOGOƯu điểm & Nhược điểm

Ưu điểm

- Phủ đồng thời được nhiều chi tiết

- Chất lượng lớp phủ tương đối cao

- Phủ được các chi tiết phức tạp

- Đầu tư cho thiết bị tương đối nhỏ,dễ áp dụng

Nhược điểm

- Khó phủ nhiều nguyên tố( chỉ từ một đến 2 nguyên tố)

- Nhiệt độ phủ cao

Xu hướng phát triển

- Các công nghệ CVD có kích thích: PACVD, LACVD

- phủ hữu cơ,phủ dùng hợp chất hữu cơ của kim loại

MOCVD

- Phủ tại chỗ

Đầu tư nghiên cứu cơ sở nhiệt động học,động học,thủy khí động học,…để điều khiển quá trình CVD

Nguyên tố

cần phủ dạng

khí.

Hoàn nguyên nhờ tác động vật lý,hóa học ở gần

bề mặt.

Lớp phủ được hình thành

Nguyên lý tạo lớp phủ CVD

Sơ đồ nguyên lý CVD

Công nghệ CVD có thể sử dụng kích thích

laser,plasma,tác động nhiệt,hóa học ở T cao nhằm phá vỡ các liên kết trong phân tử khí hoạt tính + tăng tốc độ phản ứng

Quá trình hình thành lớp phủ là kết quả của các phản ứng

dị thể.Phụ thuộc Nhiệt độ,áp suất,lưu lượng,thành phần pha khí

Có 2 nhóm phản ứng: - Phản ứng tạo nguyên tử hoạt tính

- Phản ứng tạo lớp phủ

Các phản ứng tạo trong quá trình

Oxy hóa khử Phân hủy Trao đổi

Các phản ứng tạo nguyên tử hoạt tính

LOGO1 Phản ứng oxy hóa khử

Một chất khí hình thành ở nhiệt độ cao khi chuyển sang nhiệt độ thấp tạo thành sản phẩm rắn (nguyên tố cần phủ).

( Kh1 ) <R> + ( Kh2 )

Sử dụng các phản ứng hoàn nguyên hoặc oxy hóa các muối halogen để tạo ra các nguyên tử hoạt tính VD:

(WF6 )+3 (H2) = <W> + 6(HF)

(CrF2 ) + (H2) = <Cr> + 2(HF)

2 Phân hủy

Phân hủy các muối halogen không

ổn định,phân ly các oxýt,các hợp chất cacbuanyl,hydrua kim loại,các phức kim loại…

VD :

Ni(CO)4 = <Ni> + 4 (CO)

CH4 = <C> + 2(H2)

3 Trao đổi

Trong quá trình phủ xuất hiện 2 dòng vật chất ngược chiều nhau: dòng nguyên tố phủ đi tới bề mặt chi tiết,

và dòng nguyên tố trong vật liệu chi tiết đi ra ngoài

Nguyên tố trong vật liệu chi tiết tác dụng với các khí hoạt tính tạo thành hợp chất thể khí và đi ra ngoài môi trường,ở đây có sự trao đổi giữa ngyên tố phủ và

nguyên tố trong vật liệu chi tiết

VD :

(CrCl3) + <Fe> = (FeCl3) + <Cr>

(BCl3) + <Fe > = (FeCl3) + <B>

Giữa B,Cr với Fe có sự “ đổi chỗ ” cho nhau

Cơ sở nhiệt động học

Cơ sở của phương pháp là dựa vào xác định cân bằng của hệ

đa cấu tử có tính đến cân bằng vật chất của quá trình Lấy trường hợp thấm nitơ lên thép,phản ứng tạo thành lớp

thấm:

[NH3]+ x<Fe > => <FexN> + 1,5 H2

Xét về mặt nhiệt động học:Ở cân bằng G = Go + RTln △ △

= 0

Và ln = , với Go = - - x△

Đặt (aN)= là hoạt độ nitơ trong môi trường thấm Để quá trình thấm xảy ra thì: ln(aN) >

Ngoài điều kiện nhiệt động học ,ta còn phải căn cứ vào

bản chất lớp phủ để chọn lưu lượng và áp suất riêng phần thích hợp.

Coi số lượng nguyên tử hoạt kết hợp với nhau tỷ lệ với số nguyên tử tạo thành

Ta có phương trình:

: Tỷ lệ nguyên tử hoạt i tham gia tạo lớp phủ

: Số ngtử i tạo thành khi phân hủy 1mol mỗi chất

: Tỷ lệ phân hủy của mỗi chất

: Lưu lượng mỗi chất (đktc)

Từ lưu lượng tổng ta phải xác định áp suất tổng,tỷ lệ pha khí “độn” => tính áp suất riêng phần thỏa mãn điều kiện nhiệt động học.

Cuối cùng kiểm nghiệm và hiệu chỉnh theo điều kiện thực tiễn và kết quả của quá trình CVD.

1 1 1 1 2 2 2 2

K N T Q =K N T Q

i

K

i

Q T i

i

N

i

P

LOGO Động học quá trình CVD

Mô tả động học quá trình.

Ở vùng nhiệt độ thấp,tốc

độ vận chuyển chất đến bề

mặt lớn hơn,trong khi phản

ứng trên bề mặt chậm nên

nó quyết định tốc độ của quá

trình

Khi nhiệt độ tăng tốc độ

phản ứng trên mặt tăng và

lớn hơn tốc độ khuếch tán do vậy tốc

độ phủ nhỏ

Ở miền chuyển tiếp giữa 2 vùng khi

nhiệt độ cao,áp suất nhỏ,khuếch tán

càng thuận lợi do đó vùng khuếch

tán càng thu hẹp

C Cách xử lý thực hiện tạo lớp phủ

Thực hiện tạo lớp phủ CVD phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện xử lý : môi trường,áp suất ,tác nhân kích thích,bản chất của khí hoạt tính

Mỗi loại ứng với một công nghệ riêng.

Dựa vào các điều kiện đó ta có thể phân loại :

LOGO