موارد استفاده از لایه نشانی

مقدمه

لایه نشانی به معنی نشاندن لایه‌ای نازک (Thin film) از ذرات بر روی اجسام مورد نظر در یک محیط دارای خلأ نسبی می‌باشد. این عمل به واسطه‌ی پلاسمای ایجاد شده در این محیط صورت می‌گیرد (پلاسما گازی متشکل از یون‌ها و الکترون‌های آزاد است). عمل لایه نشانی به روش‌های مختلفی قابل انجام است. در روش لایه نشانی بخار فیزیکی (یا PVD) ماده‌ای که لایه نشانی می‌شود از یک جامد یا مایع به دست می‌آید. در روش لایه نشانیِ بخار شیمیایی (یا CVD) ماده‌ای که لایه نشانی می‌شود از بخار ماده‌ای پس از تجزیه‌ی حرارتی آن روی یک سطح داغ به دست می‌آید. در برخی موارد، این بخار به واکنش با گاز محیط یا مواد دیگری که لایه نشانی می‌شوند واداشته می‌شود تا لایه‌ی نازکی از موادی مثل اکسید، نیترید، کربید، یا کربونیتراید تشکیل شود.
در واقع پلاسمای محیط در روش لایه نشانیِ بخار شیمیایی نقشی اساسی در تجزیه‌ی (پیش) ماده در فاز بخار دارد. اگر این عمل قرار بود صرفاً با حرارت صورت پذیرد نیاز به دمای فعال سازی بالاتری می‌بود.
در روش لایه نشانی بخار شیمیاییِ ارتقا یافته با پلاسما (یا روش PECVD)، در خلأی به همان میزان خلأ مورد استفاده در روش لایه نشانی بخار شیمیایی، بخار پیش ماده توسط پلاسما تجزیه می‌شود. از این روش گاهی برای رسوب‌گذاری آلیاژها، کامپوزیت‌ها و ترکیبات استفاده می‌شود.

لایه‌های نازک رسانای الکتریسیته

فیلم‌های فلزی، معروف‌ترین لایه‌های نازک رسانا هستند. این لایه‌های نازک ممکن است به منظور پوشش و یا حتی به علاوه به منظور ایفای نقش خطوط ظریف رسانش الکتریکی در مدارهای الکتریکی ساخته شوند. درواقع کافی است که ماسکی بر روی مکان‌هایی از بستره، که لازم نیست لایه نشانی روی آنها صورت گیرد، کشیده شود و عملیات لایه نشانی انجام شود و سپس با فرایند فوتولیتوگرافی، ماسک از روی بستره زدوده گردد. از این خطوط رسانا که نقش سیم‌ها را در مدارها بازی می‌کنند در فناوری میکرومدارهای هیبریدی و ساخت ابزارهای نیمه رسانا استفاده می‌شود.
اغلب رساناهای الکتریکی که از این نوع می‌باشند، معمولاً چند لایه‌اند به گونه‌ای که هر لایه وظیفه‌ای را به عهده دارد. مثلاً در رسانای چند لایه‌ای تیتانیم-پالادیوم-مس-طلا که بر روی شیشه نشانده شده است لایه‌ی تیتانیوم لایه‌ی چسباننده‌ی فیلم نازک به بستره است. پالادیوم در برابر خوردگی مقاومت ایجاد می‌کند. مس وظیفه‌ی رسانایی خود را بر عهده دارد، و طلا نیز یک لایه‌ی نهایی محافظ در برابر خوردگی و زنگ زدگی ایجاد می‌نماید.
گاهی در وسایلی که در آنها از نیمه رساناها استفاده شده است از رساناهای فلزی رسوب گذاری شده برای اتصال بین لایه‌های مختلف استفاده می‌شود. از پوشش‌های فلزی نازک همچنین به عنوان واسط‌های الکترومغناطیسی (EMI) و رادیویی استفاده می‌گردد. پوسته‌ی پوششی در برخی وسایل پلاستیکی مثلاً در تلفن‌های همراه یا الکترودهای خازنی سخت یا انعطاف‌پذیر یا حتی در سطح رادار، لایه‌های رسوب گذاری شده‌ی فلزی هستند.
لایه‌های نازک از جنس نیترید یا کربید یا سیلیکات‌های فلزی (البته به جز AlN و Si3N4 که استثناهای معروفی هستند) عموماً رسانای الکتریکی می‌باشند. در برخی کاربردها از لایه‌های نازک ساخته شده از چنین مواد مقاومی در نقش سدی در برابر پخش بین فلزات استفاده می‌شود. مثلاً در فلزکاری نیمه رساناها، الکترودهایی از جنس طلا یا آلومینیم در خلال فرایند دمای بالا به طور طبیعی در درون سیلیکون پخش می‌شوند. برای جلوگیری از پخش طلا یا آلومینیم به درون سیلیکون، قبل از این‌که الکترودها لایه نشانی شوند لایه‌ای نازک و رسانا از جنس نیترید تیتانیوم بر روی سطح سیلیکون نشانده می‌شود.
ایجاد لایه‌ای پایدار با رسانایی خوب برای اتصالات فلزی نیمه رساناها یا ترکیبات فلزی-سیلیکاتی از جنبه‌های مهم در تولید ابزارهای نیمه رساناست. از نیتریدهای فلزی مثل نیترید تانتالوم (TaN) به عنوان ماده‌ای برای ساخت مقاومت‌های لایه نازک استفاده می‌شود. اکسیدهای رسانای غیر شفافی مثل تری اکسید کروم (Cr2O3)، اکسید سرب (PbO) و روتنیوم اکسیژن (RuO) به صورت الکترود در محیط‌های اکسیداسیون با دمای بالا کاربرد دارند. در ساخت ابررساناها نیز از لایه‌های نازک استفاده می‌شود. ابررساناها موادی هستند که وقتی دمای آنها از یک دمای بحرانی (TC) کمتر شود مقاومت الکتریکی آنها تقریباً صفر می‌شود. بعضی از ابررساناهای دما بالا (که در دماهای بیش از پنجاه درجه‌ی کلوین خاصیت ابررسانایی پیدا می‌کنند) از لایه‌های نازکی از اکسیدهای مس-بیسموت و ایتیریوم تشکیل شدهاند که با استفاده از لیزر در خلأ ساخته می‌شوند.

رساناهای الکتریکی شفاف

در ساخت گرم‌کن‌های پنجرهها برای یخ‌زدایی، لایه‌های ضد الکتریسیته‌ی ساکن در صفحه‌های نمایش، الکترودها در صفحه‌های نمایش تخت و صفحه‌های نمایش لمسیِ انعطاف‌پذیر (مقاومتی) و سخت (خازنی)، از لایه‌های اکسیدهای رسانای شفاف (TCO) مثل تری اکسید ایندیوم (In2O3)، دی اکسید قلع (SnO2)، اکسید روی (ZnO) و یک آلیاژ از اکسید ایندیوم و اکسید قلع (ITO) به نحو وسیعی استفاده می‌شود.

عایق‌های الکتریکی

از فیلم‌های نازک برای عایق‌کاری نیز استفاده می‌شود. کاربرد لایه‌های نازک عایق در جدا کردن قسمت‌های رسانا از یک‌دیگر در وسایل نیمه رسانا است و نیز از فیلم نازک عایق، معمولاً از جنس اکسید سیلیکون (SiO2) یا تری اکسید آلومینیم و پنتااکسید تانتالوم یا نیترید سیلیکون (Si3N4) و نیترید آلومینیم (AlN)، به عنوان دی الکتریک در خازنها استفاده می‌شود.
با نشاندن یک لایه‌ی نازک اکسیدی بین یک لایه‌ی فلزی و یک نیمه رسانا امکان ساختن نیمه رسانای اکسید فلزی (MOS)، که فناوری ارزشمندی است، فراهم می‌شود. برای لایه نشانی ضخیم SiO2 که دارای ضریب گرمایی پایینی است از روش اسپاترینگِ RF استفاده می‌شود. همچنین ساخت لایه‌های عایق SiO2، نیترید سیلیکون و شیشه با استفاده از روش RECVD برای روکش سازی و عایق سازی لایه‌ها در فرایندهای مربوط به نیمه رساناها کاربرد دارد.

لایه‌های اپتیکی

لایه‌های اپتیکی لایه‌هایی هستند که بر میزان و کیفیت عبور و بازتاب نور از یک سطح نوری تأثیر می‌گذارند. این لایه‌ها از موادی هستند که ضریب بازتاب بالا یا پایینی دارند. بیشترین کاربرد این لایه‌ها در ضد بازتاب ساختن سطوح اپتیکی است. همچنین از این لایه‌ها در ساخت فیلترهای اپتیکی استفاده می‌شود. این نوع فیلترها شدت نور را برای همه‌ی طول موجها به یک اندازه کاهش خواهند داد.
به عنوان نمونه‌ای دیگر از موارد استفاده از لایه‌های اپتیکی می‌توان از فیلتر لبه نام برد که نور ماوراء بنفش را از خود عبور نمی‌دهد. در پروژکتورها و دوربین‌های عکاسی و فیلم‌برداری نیز از لایه نشانی‌های مختلف استفاده می‌شود که به بهبود کیفیت تصویر کمک شایانی می‌کنند.

لایه نشانی برای تنظیم گرما

ترکیب‌های لایه نشانی روی پنجرهها بر اساس کاربرد آنها در جاهایی که می‌خواهیم ورود و خروج نور و گرما از آنها کنترل شده انجام گیرد متفاوت است. اگر هدف، بازداشتن تابش خورشید از ورود به داخل باشد یک لایه متشکل از TiO2-Cr-TiO2 بر روی شیشه نشانده می‌شود، و اگر منظور، حفظ گرمای درون اتاق باشد یک لایه‌ی نازک از نقره می‌تواند هشتاد و پنج تا نود و پنج درصد از گرمای تابیده بر شیشه را به داخل اتاق بازتاب کند. می‌توان به ترتیب زیر، پنجره‌ای با لایه‌نشانی دو منظوره ساخت:
ZnO-Ag-(Ti)-ZnO-Ag-(Ti)-ZnO-TiO2-شیشه
که در آن اکسید روی وظیفه‌ی بازتاب را به عهده دارد.
از نوع دیگری از این لایه نشانی‌ها برای جذب تابش‌های خورشیدی (در جذب کننده‌های خورشیدی) استفاده می‌شود. حتی می‌توان سطوحی ساخت که تابش‌های خورشیدی را به صورت انتخابی جذب کنند و مثلاً مانع از عبور تابش‌های فروسرخ شوند. به این نوع سطوح، جذب کننده‌های انتخابی خورشیدی گفته می‌شود.
با لایه نشانی می‌توان حفاظ‌هایی حرارتی ساخت که مانع از رسیدن حرارت از محیط داغ به بستره‌ای که لایه بر روی آن نشانده شده است شوند. مثلاً در پره‌های توربین هواپیما از یک حفاظ حرارتی چند لایه متشکل از اکسید زیرکونیوم (ZrO2) و CaO و MgO و Y2O3 استفاده می‌شود.

بازتابندهها

از فیلم‌های فلزی برای تولید سطوح بازتابی استفاده می‌شود. در جایی که خوردگی و اکسید شدن موضوعیتی ندارد، مثلاً برای آینه‌هایی که سطح پشتی‌اشان بازتابان است، نقره ماده‌ی مناسبی است. اما از آلومینیم، هم در آینه‌هایی که پشتشان و هم در آینه‌هایی که رویشان بازتابان است استفاده می‌شود. معمولاً بر باتابنده‌هایی که بر رویشان آلومینیم نشانده شده است از یک لایه از جنس پلیمر برای محافظت در برابر خراش و اکسید شدگی استفاده می‌گردد.
از لایه‌های بازتابنده در موارد کاربردی دیگری از جمله در لوح‌های فشرده برای ذخیره‌ی فیلم و موسیقی و در بازتابنده‌ی لامپها استفاده می‌شود. گاهی فرایند لایه نشانی طوری طراحی می‌شود که تنها طول موج‌های مشخصی بازتاب گردند همانطور که این عمل در لنزهای دوربین باعث عبور طول موج‌های مشخصی می‌شود. به عنوان نمونه فرایند لایه نشانی برای آینه‌های حرارتی، که مثلاً در لامپ‌های هالوژن برای افزایش دمای داخلی کاربرد دارند، به گونه‌ای طراحی می‌شود که امواج حرارتی، بیشتر بازتاب شوند. یا بر عکس، در مواردی فرایند لایه نشانی طوری طراحی می‌شود که تولید نور سرد نمایند یا به عبارتی امواج حرارتی و مادون قرمز کمتر بازتاب شوند مانند فرایند به کار گرفته شده در تولید لامپ‌هایی که در دندان‌پزشکی و در اتاق‌های عمل استفاده می‌شوند.

بسته‌بندی

از لایه نشانی در صنایع بسته‌بندی غذایی نیز استفاده می‌شود. لایه‌ای نازک از فلز بر روی فیلم‌هایی از پلیمر و یا کاغذهای بسته‌بندی مواد غذایی نشانده می‌شود تا از عبور بخار آب و اکسیژن از آنها جلوگیری نماید. آلومینیم ماده‌ای است که بیشترین مصرف را در این زمینه دارد. آلومینیوم حتی در بالون‌های پلیمری هلیوم لایه نشانی می‌شود تا از نشت گاز از آن جلوگیری شود.

دکوراسیون و پوشش‌های تزیینی

فلزکاری در صنایع تزیینی، بازارِ پر سودی دارد. کاربرد لایه نشانی در ساخت این وسایل بسیار متنوع است و محدوده‌ای از برچسبها و بالون‌های نقره‌ای رنگ گرفته تا مدالها و کاپ‌های ورزشی را در بر می‌گیرد که لایه نشانی به آنها هم زیبایی و هم مقاومت لازم را می‌دهد. مثلاً نیترید تیتانیوم رنگ طلایی دارد و کربونید تیتانیوم (TiCxNx) بر حسب درصد ترکیباتش می‌تواند از طلایی تا زرشکی و حتی مشکی تغییر رنگ دهد. نیترید زیرکونیوم برنجی رنگ است اما بسیار بیش از برنج در برابر خراش مقاوم است. پوشش‌های مقاوم، در ساخت ابزار آلات، دستگیره‌ی درها، قفلها و حتی وسایلی که در مناطق دریایی استفاده می‌شوند کاربرد دارند.

لایه‌های سخت

نشاندن لایه‌های سخت بر روی اجسام، لایه نشانی متالوژیکی (Metallurgical Coating) نامیده می‌شود. از این فن می‌توان برای افزایش طول عمر ابزار و همین‌طور سختی آنها و افزایش مقاومتشان در برابر خستگی، مثلاً در ساخت بولبرینگ‌ها، سرمتهها و ...، استفاده نمود. از گروه‌های مختلفی از مواد برای ساخت لایه‌های سخت استفاده می‌شود که از آن جملهاند اکسیدهای فلزی با پیوندهای یونی (مثل Al2O3، ZrO2، و TiO2)، موادی با پیوندهای کوالانسی (مثل boron carbon[B4C]، و SiC)، الماس، TiC، AlN، CrC، کربید مخلوط نیترید، ترکیبات آلیاژی کربونیتراید، و برخی از آلیاژهای فلزی (مثل COCrAlY).

فیلم‌های فعال الکتریکی

لایه‌های نازک سیلیکونی در ابزارهای نیمه رسانا کاربرد دارند. این نوع فیلم‌ها غالباً با یک روش خاص از PVD که MBE یا Molecular Beam Epitaxy نام دارد یا به یک روش CVD به نام اپیتکسی فاز بخار (VPE) ساخته می‌شوند.
سیلیکون آمورف که در سلول‌های خورشیدی استفاده می‌شود با روش PECVD بر روی یک بستره‌ی سخت و شبکه‌ای لایه نشانی می‌شود. لایه‌های نازکی از جنس سلنیوم وقتی در معرض نور قرار بگیرند از نظر الکتریکی باردار می‌شوند. از چنین لایه‌هایی مثلاً برای نگه داشتن تونر در دستگاه‌های فتوکپی استفاده می‌شود.

وسابل ضبط مغناطیسی

مواد مغناطیسی بر حسب این‌که تحت میدان مغناطیسی با چه شدتی مغناطیسی می‌شوند و یا بر حسب قابلیت تغییر شدت مغناطیس شدگی آنها با شدت میدان مغناطیسی اِعمال شده بر آنها، به دو دسته‌ی سخت و نرم تقسیم‌بندی می‌شوند. کاربرد مواد مغناطیسی نرم، مثل Permalloyها که آلیاژ آهن و نیکل هستند و گارنتها، در حافظه‌های ذخیره‌ی اطلاعات است که لازم است اطلاعات آنها مرتباً بازسازی شوند. کاربرد مواد مغناطیسی سخت مثل Fe3O4، CO:Ni:Tungsten[W]، Co:rhenium[Re]، و ... غالباً در وسایل ضبط دائمی مانند نوارهای ویژه‌ی صوتی می‌باشد.

حفاظت از خوردگی

یکی از کابردهای لایه نشانی، حفاظت از قطعات در محیط‌های فعال شیمیایی است. ممکن است لایه‌ای که بر روی قطعه نشانده می‌شود بی اثر باشد و یا این‌که خود با محیط واکنش نشان دهد و ترکیبی بسازد که از لایه‌ی زیرین محافظت نماید. تانتالوم، پلاتینیوم و کربن در بسیاری از محیط‌های شیمیایی، بی‌اثر هستند. مثلاً بر روی ایمپلنت‌های فلزی که در درون بدن انسان کار گذاشته می‌شود لایه‌ای نازک از کربن نشانده می‌شود تا بدن در برابر جسم خارجی از خود واکنش نشان ندهد. در صنایع فضایی، قطعات با استفاده از روش پخش بخار یونی (IVD) پوشانده می‌شوند تا از خوردگی گالوانک (Galvanic Corrosion) در آنها، که در اثر تماس فلزهای مختلف با هم ایجاد می‌شود، جلوگیری شود. کروم، آلومینیوم، سیلیکون، و آلیاژهایی از آهن و کبالت و نیکل با اکسیژن ترکیب شده و لایه‌ی اکسیدی یکنواخت محافظی بر روی سطح تشکیل می‌دهند.