اصول مقدماتی تکنولوژی خلأ در فرایند های پوشش دهی

خلأ چیست؟

واژه ی خلأ از لغا لاتین وکیو( vacua) مشتق شده است. این واژه به معنای تهی است. اگر ما یک محفظه ی دارای گاز را خالی کنیم، یک خلأ تولید کرده ایم.
یک خلأ می تواند به عنوان فضای موجود در میان یک حجم بسته نامیده شود که مقدار گاز موجود در آن کمتر از مقدار گازی است که در حالت عادی( فشار اتمسفر اطراف آن) در آن جای می گیرد. این چیزی است که می تواند به عنوان یک مزیت برای ما استفاده شود.
آن دسته از آدم هایی که چای زیاد می خورند می دانند که اگر در قله ی کوه اورست باشند، قادر به دم کردن چای خوب نیستند زیرا فشار کم و مسئله ی به جوش آمدن آب در دماهای پایین تر از نقطه ی جوش آب در مکان های مرتفع وجود دارد. کاهش نقطه ی جوش مواد تحت خلأ یکی از مزیت هایی است که می توان از آن استفاده کرد.
اکثر مواد، مخصوصا زمانی که دمای آنها به حد نقطه ی ذوبشان برسد، مستعد اکسیداسیون هستند. بنابراین یکی دیگر از مزیت های کار در خلأ این است که موادی که به طور نرمال تحت تأثیر اکسیداسیون هستند، را می توان در محیطی مورد استفاده قرار داد که در این محیط بخار آب وجود ندارد. جلوگیری از اکسیداسیون این مواد در صورتی حاصل می شود که ملکول های موجود در محفظه ی کاری تا حد ممکنه تخلیه شوند.

گاز چیست؟

اگر ما به طور کلی به مواد نگاه کنیم، می توانیم آنها را به سه حالت جامد، مایع و گاز تقسیم بندی کنیم. ساختار ماده در هر حالت تغییر می کند. در حالت جامد اتم ها دارای فاصله ی نزدیک به هم هستند و مکان های معینی را به خود اختصاص داده اند. وقتی یک جامد را حرارت می دهیم، شکل ماده از حالت جامد به مایع تبدیل می شود. در حالت مایع اتم ها دارای نظم شبکه ای نبوده و فاصله ی بین اتم ها در آن به نسبت جامدات، بیشتر است. سرعت حرکت اتم ها نیز با دما افزایش می یابد. بنابراین بیایید در مورد برخی از واقعیت های گازها صحبت کنیم.
در یک گاز، اتم ها یا ملکول ها آزادانه حرکت می کنند و می توانند سرعت هایی در حدود 1650km/h( 1000mph) داشته باشند.
ملکول های گاز موجود در هوا تقریبا 0.01% فضا را به خود اختصاص می دهند. این در حالی است که ملکول های جامد تقریبا 74% این فضا را به خود اختصاص می دهند. ذرات با همدیگر و همچنین با سطوح برخورد می کنند. سرعت برخورد اتم ها در حد 10000000000 بر ثانیه است. این برخوردها بدین معناست که ذرات گاز دارای حرکت تصادفی هستند و به سرعت منبسط گشته تا تمام حجم موجود را پر کنند. اگر تعداد برخوردها بیشتر شود، این به نظر می رسد که تقریبا 20000000000000000000 ذره در هر سانتیمتر مکعب وجود دارد و طول پویش آزاد میانگین( فاصله ی متوسطی که یک ذره قبل از برخورد خود به ذره ی بعدی، سیر می کند)، تنها 100nm است.

فشار

تمام اتم ها یا ملکول ها دارای جرم هستند و زمانی که به سطح برخورد می کنند، باعث ایجاد نیرو بر روی آن سطح می شوند. این نیرو بر واحد سطح فشار نامیده می شود.
فشار = نیرو / مساحت سطح
تمام اتم ها یا ملکول ها در اتمسفر به دلیل وجود نیروی گرانش به سمت زمین کشیده می شوند و با زمین برخورد می کنند. بنابراین در ارتفاع بالا، فشار کمتر است زیرا دانسیته ی گاز در نقاط با ارتفاع بیشتر کمتر از نقاط کم ارتفاع است.
در بالای کوه اورست، فشار یک چهارم فشار هوا در سطح دریاست. یک قانون ساده و قابل لمس این است که فشار در هر 5 کیلومتر فاصله از سطح زمین( سطح دریا)، نصف می شود.
فشار اتمسفر در سطح دریا با عرض جغرافیایی 45 درجه ی شمالی برابر 14.69 پوند بر اینچ مربع( psi) یا یک کیلوگرم بر سانتیمتر مربع است. اگر فشار در دمای صفر درجه ی سانتیگراد اندازه گیری شود، فشار برابر با 1 اتمسفر استاندارد است( 1 std atm).
فشار اتمسفر معمولا برای ایجاد سهولت در محاسبات به صورت زیر گرد می شود:
14.69 psi ~ 15psi
15psi ~ 760 torr ~ 1 std atm ~ 101325 Pa( N/m2) ~ 1.01325 bar
101.325 kPa ~ 1013.25 mbar
مسئله ی مهمی در مورد واحد های مورد استفاده در فشار وجود دارد. این مسئله این است که در سال 1978، پاسکال به جای تورر به عنوان واحد قابل قبول شناخته شد. به هر حال بسیاری از سیستم های خلأ که قبل از این سال ساخته شده اند و هنوز هم در حال استفاده هستند، از واحد تورر استفاده می کنند. لازم به تذکر است که گاها این واحد به صورت عادت به جای واحد پاسکال مورد استفاده قرار می گیرد.
در سال 1664، توریچلی دانشمند ایتالیایی فشار را با استفاده از یک مانومتر جیوه ای اندازه گیری نمود. اندازه گیری او از فشار اتمسفر که برابر با 760 mmHg است، اساس مقیاس تورر می باشد که امروزه متداول است.
1 mm Hg = 1 torr
1µHg= 1/1000 mm Hg = 0.001 mm Hg= 1 mtorr(mT)
واحد فشاری که در اروپا بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد، پاسکال یا نیوتن بر متر مربع است. مثل همیشه اروپاییان از واحدی برای اندازه گیری فشار استفاده می کنند که کاملا تطبیق پذیر نمی باشد زیرا این واحد با یک فاکتور با واحد SI در ارتباط است. این واحد بار نامیده می شود که در واقع 1 بار برابر با 100000Pa می باشد.
1 bar= 1000mbar= 750 torr
خلأ ها معمولا در زمره ی یکی از انواع چهارگانه ی زیر هستند:
خلأ پایین برابر با 1-1013 mbar
خلأ متوسط برابر با - 1 mbar
خلأ بالا برابر با mbar
خلأ بسیار بالا که مقدار فشار در این نوع خلأ کمتر از mbar است.
این مسئله را بد نیست مورد توجه قرار دهید که یک منبع محتمل برای گیج شدن از تعریف یک خلأ ایجاد می گردد. در واقع توجه به واژه های خلأ بالا و پایین باید با دقت انجام گردد. درست این است که بگوییم سیستمی که دارای فشار پایین است، دارای خلأ بالاست.

فشار جزئی

فشار کلی یک سیستم مجموع تمام فشارهای منفرد گازهایی است که در سیستم وجود دارند. هر گاز به طور مجزا فشاری را ایجاد می کند که فشار جزئی نامیده می شود.
یک مثال متداول محفظه ی بازی است که در فشار اتمسفر قرار گرفته است. جدول 1 فشار گازهای موجود در هوا، حجم نسبی آنها و فشارهای جزئی آنها را بیان نموده است. فشار جزئی هر گاز به درصد حجم کلی آن وابسته است. از این رو فشار جزئی به درصد حجمی وابسته است. و بنابراین فشار جزئی اکسیژن برابر است با:
20.95%* 101325 Pa= 21227 Pa
متداول ترین گازی که برای ایجاد یک خلأ پمپ می شود، هواست. این مهم است که به این نکته توجه کنید که در میان تمام اجزایی که در هوا وجود دارد، یکی هست که دارای اثر مهمی بر روی سیستم های خلأ می باشد. در واقع این جزء بخار هواست که مقدار آن می تواند بین 0.6 تا 6.0 درصد وزنی باشد. از این رو مقادیر موجود در جدول 1 برای هوای خشک در نظر گرفته شده است. در این جدول مقدار بخار آب به صورت حروف درشت و تنها برای اطلاعات بیشتر آورده شده است. اگر درصد بخار آب را در نظر بگیریم، بنابراین فشار جزئی مواد دیگر اندکی کم می شود.

فشار بخار

یک بخار گازی است که تمایل دارد به حالت مایع برگردد. مانند روشی که گازها فشار تولید می کنند، یک بخار نیز سطوح را بمباران می کند و فشار ایجاد می کند. این فشار را فشار بخار می نامند.
اگر ما یک استخر پر از آب را در نظر بگیریم، بعد از مدتی آب استخر به دلیل تبخیر کم می شود. اگر دمای آب را افزایش دهیم، این اتلاف آب سریع تر می شود. اگر دما تا نقطه ی جوش آب بالا رود، تبخیر آب به صورت تشکیل ابر بر روی استخر آب دیده می شود و سطح آب به طور سریع کاهش می یابد. بنابراین فشار بخار یک شاخص از سرعت تبخیر یک ماده است. جامدها نیز دارای فشار بخار هستند اما همین طور که می توان پیش بینی نمود، فشارهای بخار جامدات در مقایسه با مایعات بسیار کمتر است.
فشار بخار تمام گازها، نقاط جوش آنها در اتمسفر است( یعنی 760 تورر)؛ اگرچه دمایی که در آن فرایند به جوش آمدن انجام می شود، متفاوت است.
این اطلاعات زمانی مورد توجه قرار می گیرد که در حال کار بر روی فرایند های رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار و یا فرایندهای رسوب دهی فیزیکی از فاز بخار باشیم.

فشار بخار اشباع

اگر به مثال تبخیر آب از استخر آب برگردیم، این مسئله را می توانیم در نظر بگیریم که مولکول هایی که در سطح قرار دارند به دلیل برخورد سایر ملکول ها، سرعت می گیرند و از سطح خارج می شوند. این حالت که تعداد خروج ملکول ها از سطح بسیار بیشتر از ورود آنها به داخل مایع است را فشار بخار غیر اشباع می نامند. به هر حال اگر ما استخر را در داخل یک محفظه ی بسته قرار دهیم، بخار با دیواره های محفظه برخورد می کند و شانش برخورد ملکول های آب موجود در حالت بخار با سطح آب استخر بیشتر می شود. نقطه ای که در آن تعادل میان سرعت تبخیر و سرعت بازگشت ملکول های بخار به داخل آب مایع برقرار می شود، به نقطه ی فشار اشباع معروف است. سرعت تبخیر با کاهش دما، کم می شود. بنابراین نقطه ی تعادل نیز مانند نقطه ی فشار اشباع، کاهش می یابد.
این ویژگی در پمپ های سرمایشی( cryopumps) مورد استفاده قرار می گیرد. در این پمپ ها یک سطح سرد در داخل محفظه ی تحت خلأ قرار می گیرد و بدین صورت بخارات بر روی این سطح سرد کندانس می شوند.
تحت خلأ، تبخیر سریع تر می شود زیرا ملکول های تبخیر شده تمایل کمتری به برخورد با ذرات گازی دارند و بدین صورت تمایل دارند تا به سمت سطح مایع حرکت کنند و به داخل مایع برگردد. مثالی از این موضوع که هر روزه اتفاق می افتد این است که کوهنوردان از اینکه آب در دمای بسیار کمتر نسبت به دمای جوش آب، تبخیر می شود، شکایت می کنند. این مسئله به دلیل این اتفاق می افتد که در بالای کوه های بلند، فشار به حدی کاهش می یابد که نقطه جوش در دماهای بسیار پایین تر نسبت به دمای جوش آب قرار دارد. این وضعیت دقیقا وضعیتی است که در سیستم های خلأ رخ می دهد.
مسئله ای که باید مد نظر قرار دهید، این است که فشار 2340 Pa( 23.4 bar, 17.55 torr) فشاری است که در آن آب در دمای اتاق( 20 درجه ی سانتیگراد) به جوش می آید. این فشار در زمانی قابل توجه است که هیچ آبی در محفظه ی خلأ قرار نداشته باشد. اگر در داخل محفظه ی خلأ آب وجود داشته باشد، فشار تا تبخیر کل این آب، بالا نمی رود.
این بد نیست که بدانید یک سرعت تبخیر سریع آب نیازمند حرارت دهی است و اگر حرارت کافی برای آب مهیا نباشد، آب یخ می زند. فشار بخار اشباع برای یخ برابر 611 Pa( 6.11 mbar, 4.48 torr) است. بنابراین، این فشار افت می کند. به طور نمونه وار هر آبی که بر روی سطح فلزی حضور دارد، دارای سرعت نفوذ گرمایی نیست که بتواند موجب ایجاد شرایط تبخیر مداوم شود. از این رو آب یخ می زند و به یخ تبدیل می شود اما همین طور که گرما از میان یخ نفوذ می کند، یخ ذوب می شود و تبخیر دوباره با سرعت بالا ادامه می یابد. این تبخیر فشار را افزایش می دهد تا جایی که فشار به فشار بخار آب ( 2340 Pa) برسد. مشکل مهیا نبودن حرارت می تواند دوباره اتفاق افتد و فشار دوباره افت کند( شکل 1). اگر تراوش آب به داخل سیستم رخ دهد، این فرایند به طور نامحدود رخ می دهد. ولی اگر تنها مقدار اندکی آب در داخل محظه باشد و تراوش آب به داخل سیستم نیز رخ ندهد، این سیکل ممکن است چند بار رخ دهد و سپس ناپدید شود.
آب همواره به عنوان یک مشکل در سیستم های خلأ وجود دارد. بخار آب موجود در اتمسفر بر روی سطح سیستم خلأ جذب می شود و تمام این آب باید با پمپ تخلیه شود. برای توجه به این مسئله می توانیم به یک قطره ی آب نگاه کنیم.
یک قطره ی آب با جرم 1 گرم دارای حجم 1 میلی لیتر است. اما در فشار 0.133 Pa (0.0013 mbar, 1 mT)، همان قطره دارای 1000000 L حجم می باشد. به طور نمونه وار، سیستم ها با استفاده از پمپ به فشارهای پایین حرکت می کنند، اما این حجم از آب هنوز هم بسیار بالاست. اگر این سیستم با استفاده از یک پمپ نفوذی تخلیه گردد که سرعت پمپ کردن آن در حد 10,000 L/s باشد، 1.7 دقیقه طول می کشد تا تنها این قطره از آب تخلیه شود.
به دلیل اینکه آب به آهستگی بوسیله ی پمپ ها تخلیه می گردد، این متداول است که برای سیستم های تحت خلأ، یک پمپ طراحی شود که به طور خاص بخار آب را تخلیه کند. این پمپ باید با سرعت زیاد این آب را تخلیه کند. در این سیستم ها می توان از یک گاز یخچالی استفاده کرد تا بتوان با سرعت بیشتری آب را از سیستم خارج نمود. به طور نمونه وار این سیستم های تخلیه ی مخصوص بخار آب می توانند با سرعت 100,000 L/s کار کنند. این پمپ ها با نام پمپ های با پیچه های سرمایشی( cryocoils) یا پمپ های با پنل های سرمایشی( cryopanels) معروف هستند.

چرا ما به خلأ نیازمندیم؟

به طور نمونه وار، دو دلیل برای استفاده از خلأ در کاربردهای پوشش دهی، وجود دارد: اولی این است که استفاده از خلأ به عنوان یک راه برای کنترل واکنش پذیری فرایندهای رسوب دهی است و دوم اینکه با استفاده از خلأ می توان تعداد برخوردهای گاز را کاهش داد و بدین وسیله قادر خواهیم بود ذراتی با انرژی بیشتر را برای فرایند های رسوب دهی ایجاد کنیم.
در فرایند رسوب دهی، اکسیداسیون می تواند به عنوان شکلی از آلودگی در پوشش های رسوب کرده بروز کند. خلوص پوشش به طور نسبی به سرعت رسیدن نسبی مواد مورد نظر به سطح و همچنین آلودگی های محیط پوشش دهی، بستگی دارد. بنابراین اگر اکسیژن به عنوان یک آلودگی باشد، پس رسوب دهی در خلأ می تواند یکی از راه های کاهش منبع آلودگی تلقی گردد.
خلأ تنها دارای یک فشار معین نیست و می تواند از فشارهایی در حد اتمسفر شروع شود و تا خلأهای بسیار بالا برود. خلأهایی که به فشار اتمسفر نزدیک است، دارای ویژگی های مشابه با اتمسفر بوده و میزان آلودگی های آن نیز مشابه آلودگی های اتمسفر است. بنابراین ما نیازمند یک مقیاس هستیم که به ما بگوید از سطوح مختلف خلأ، چه چیزی را باید انتظار داشته باشیم. به دلیل اینکه مسئله ی ناخالصی چیزی است که برای ما بسیار مهم است، یک مقیاس که این مسئله را برای ما روشن کند، مهم می باشد. به طور مشابه، اگر ما در حال رسوب دهی ماده ای باشین و بخواهیم ماده با تمام انرژی خود به سطح زیرلایه برسد، باید سطحی از خلأ را داشته باشیم که در آن از برخوردهای اتمی و ملکولی جلوگیری شود.
یک اندازه گیری که نشاندهنده ی سطح خلأ می باشد، طول پویش آزاد میانگین است. این پارامتر شانس برخورد و زمان تشکیل تک لایه را تعیین می کند با تعیین این دو پارمتر می توان سرعت ایجاد آلودگی در پوشش را تخمین زد.

طول پویش آزاد میانگین

ذرات گازی به طور تصادفی حرکت می کند، به هم برخورد می کنندو با این برخوردها جهت حرکت شان تغییر می کند. فاصله ی میانگین میان دو برخورد، طول پویش آزاد میانگین نامیده می شود. طول پویش آزاد میانگین به اندازه ی ذرات، فشار و دما بستگی دارد.
برای محاسبه ی طول پویش آزاد میانگین ضروری است که قطر ملکولی ذرات گازی، دانسیته ی ملکول ها و سرعت متوسط آنها را بدانیم. یک روش مناسب تر در نظر گرفتن یکی از مقادیر بدست آمده و مقیاس گذاری آن با توجه به فشار است( شکل 2).
بنابراین:
طول پویش آزاد
که در اینجا P برابر فشار در واحد میلی بار است.
از این رو در

این اطلاعات زمانی مهم هستند که می خواهیم فرایند رسوب دهی پوشش را انجام دهیم؛ خواه با استفاده از یک فرایند با خط دید مستقیم( line-of- sight) رسوب دهی راانجام دهید و یا با استفاده از فرایندی رسوب دهی انجام دهید که در آن برخورد ایجاد می شود. به طور نمونه وار در فرایند های تبخیری، فشار پایه در حدود 10-5 mbar است و طول پویش آزاد در حد چند متر است. به هر حال وقتی رسوب دهی شروع می شود، فشار به گستره ی mbar می رسد و بنابراین طول پویش آزاد در حین رسوب دهی به مقداری در حدود نیم متر یا کمتر، افت می کند. در بیشتر طراحی های سیستمی، این مسئله بدین معناست که هیچ تفرق گازی در ماده ی رسوب کننده، بوجود نمی آید.
این یک قانون مفید و قابل لمس است اما از لحاظ آماری، برخی ذرات متفرق خواهند شد. توده ی ماده ی در حال رسوب به سطوحی که در زاویه ی دید آنها قرار دارد، برخورد می کنند؛ اما در طی گذارزمان، یک مقدار اندک از ماده متفرق شده و به سایر بخش های محفظه برخورد می کند.
بخش دیگری از اطلاعات مفید که به دانسیته ی ملکولی یا دانسیته ی فشار بستگی دارد، زمانی است که یک تک لایه از گاز بر روی سطح تشکیل می شود.
این فرض شده است که ضریب چسبندگی( احتمال که ذرات به سطح بچسبند) برابر 1 است.
در ، یک تک لایه در زمان 1 ms تشکیل می شود.
در یک تک لایه در زمان 1s تشکیل می شود.
این مسئله نشان دهنده ی سرعت ایجاد آلودگی بالقوه بر روی پوشش در حال رشد، است که به دلیل وجود گازهای باقیمانده در داخل سیستم بوجود می آید.
اگر ما به نمودار زمان تشکیل تک لایه ی اتمی بر روی سطح، نگاه کنیم،می توانیم ببینیم که در یک فشار ثانیه طول می کشد تا تک لایه تشکیل شود( شکل 3).
برای پوشش دهی یک تیغه ی پلیمری با آلومینیوم لازم است سیستم تا فشار تخلیه گردد و زمانی که رسوب دهی شروع می شود، این فشار افزایش یافته و به مقدار می رسد. اگر فشار تخلیه را قرار دهیم، زمان تشکیل تک لایه تنها 0.01 ثانیه می باشد. به طور نمونه وار، با فرض سرعت چرخش 600 m/min، پلیمر در زمان 0.1 ثانیه( یا کمتر) از نقطه ی رسوب دهی می گذرد و بنابراین 10 تک لایه از آلودگی در همان زمان به جای آلومینیوم به سطح می رسند. در ضخامت های متداول در زمینه ی ایجاد پوشش های فلزی، این مسئله نشاندهنده ی بوجود آمدن آلودگی در حدود 1% الی 2% می باشد.
برای فرایند های رسوب دهی آهسته تر و با فشار بالاتر، این سطح از آلودگی می تواند بیشتر باشد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع است.