การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า (Electroplating)

          การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า (Electroplating) เป็นกระบวนการของการเกิดปฏิกิริยาทางเคมี เมื่อมีการไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้ว โดยผ่านสารละลายซึ่งมีส่วนผสมของเกลือของโลหะที่ต้องการ ซึ่งกระแสจะไหลผ่านสารละลายในทิศทางของไอออนบวก (อิเล็กตรอนไหลใน ทิศทางตรงกันข้าม) และสามารถใช้อัตราการไหลดังกล่าวเพื่อวัดอัตราการเกิดของปฏิกิริยาได้ โดยปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น ณ ขั้วบวกจะเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชัน โดยโลหะที่ใช้เคลือบส่วนใหญ่จะเป็นทอง เงิน โครเมียม ทองแดง นิกเกิล เป็นต้น การชุบโลหะด้วยไฟฟ้าจะทำในถังบรรจุสารละลายที่มีโลหะสำหรับเคลือบกับวัสดุที่ถูกเคลือบ โดยโลหะจะถูกทำให้ละลายอยู่ในรูปของไอออน ไอออนที่ว่านี้เป็นอะตอมของโลหะซึ่งสูญเสียอิเล็กตรอนตั้งแต่ 1 ตัวขึ้นไปและมีประจุทางไฟฟ้าซึ่งมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า แต่สิ่งที่สังเกตได้คือสารละลายจะปรากฏสี เช่น สารละลายนิกเกิลจะมีสีเขียวมรกต และเมื่อโลหะเคลือบบนวัสดุจะปรากฏเป็นสีเงินหรือสีเทา เมื่อเกิดประจุทางไฟฟ้าซึ่งเป็นอะตอมของโลหะที่ละลายออกมาอยู่ในรูปของประจุบวกเนื่องจากการสูญเสียอิเล็กตรอน และวัสดุที่ถูกเคลือบถูกทำให้เป็นประจุลบก็จะดึงดูดประจุบวกให้วิ่งเข้าหาและรวมตัวกันกลายเป็นอะตอมของโลหะใหม่อีกครั้งแล้วตกเคลือบบนผิวของวัสดุ 

            กระบวนการชุบโลหะด้วยไฟฟ้ามีขั้นตอนดังนี้

           1. กรองสารละลายที่ต้องการใช้ชุบโลหะลงในบีกเกอร์

         2. นำบีกเกอร์ที่บรรจุสารละลายวางลงบนชุดชุบโลหะ จากนั้นนำชิ้นงานที่ต้องการชุบจุ่มลงในบีกเกอร์ และต่อชิ้นงานเข้าที่ขั้วลบ (แอโนด) และต่อแท่งโลหะเข้าที่ขั้วบวก (แคโทด) จากนั้นปรับความเร็วรอบในการหมุนกวนสารละลาย

        3. ปรับความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า โดยความหนาแน่นของกระแสที่ปรับจะเป็นหน่วยต่อพื้นที่ของชิ้นงานที่ต้องการชุบ (mA/cm²)

รูปที่ 1 โครงสร้างของชุดชุบโลหะด้วยไฟฟ้า

การเคลือบฟิล์มบางแบบระเหยด้วยลำอิเล็กตรอน (Electron Beam Evaporator)

รูปที่ 1 Electron Beam Evaporator

          Electron beam Evaporation เป็นอีกหนึ่งในเทคนิคการเคลือบฟิล์มบาง แต่หลักการทำงานจะต่างจาก Thermal evaporation เล็กน้อย โดยจะมี electron source ยิง electron ไปยัง source materials ใน crucibles เพื่อให้เกิดความร้อนที่สูงมาก จนทำให้ electron ของ source materials หลุดจากมา จากนั้น focus electron ด้วยแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าความเข้มสูง ให้ไปสะสมบน substrate ที่อยู่ด้านบน เกิดเป็นฟิล์มบาง
        E- beam evaporation มี deposition rate ประมาน 0.1-100 นาโนเมตร/นาที ซึ่งสูงกว่าเทคนิค Physical Vapor Deposition แบบอื่นๆ และยังสามารถ concentrate พลังงานเพื่อให้ความร้อนกับ source materials ได้อย่างจำเพาะและแม่นยำ โดยที่ไม่เกิดความร้อนบริเวณรอบๆ ที่จะทำให้ crucible และ substrates เสียหาย และสามารถ coat ฟิล์มบางหลายๆ ชั้นบน substrate ได้ แผนภาพการทำงานดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2  แผนภาพการทำงานของ Electron beam Evaporator

[1]     Matt Hughes. (2016). What is E-Beam Evaporation?. Retrived March, 5, 2020. From http://www.semicore.com/news/89-what-is-e-beam-evaporation.

การเคลือบฟิล์มบางด้วยกระบวนการสปัตเตอริง (Sputtering)

รูปที่ 1 Sputtering

          เทคนิคสปัตเตอริง (Sputtering) เป็นวิธีการหนึ่งที่นิยมนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเคลือบฟิล์มบาง เนื่องจากจะได้ฟิล์มที่มีความสม่ำเสมอ และมีความบริสุทธิ์สูง อาศัยหลักการเร่งอิเล็กตรอนภายใต้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าให้มีพลังงานสูงขึ้นจนสามารถชนกับอะตอมของอนุภาค ที่มีประจุไฟฟ้าและเกิดการถ่ายโอนพลังงานทำให้อะตอมของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเกิดการแตกตัว เป็นไอออนบวกและถูกเร่งให้วิ่งเข้าชนกับอนุภาคของเป้าสารเคลือบ (Target atom) ที่อยู่ใกล้ขั้วแคโทด (Cathode) ทำให้อะตอมของสารเคลือบหลุดขึ้นไปเคลือบบนวัสดุฐานรองรับ (substrate) ที่อยู่ใกล้กับขั้วแอโนด (Anode) โดยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่ใช้ส่วนใหญ่มักเป็นไอออนของแก็สอาร์กอน (Ar) เนื่องจากมีคุณสมบัติเป็นแก็สเฉื่อยที่ไม่ทำปฏิกิริยากับอะตอมของเป้าสารเคลือบ และเป็นธาตุที่มีน้ำหนักอะตอมค่อนข้างมากจึงเหมาะแก่การระดมยิงเป้าสารเคลือบ การเคลือบฟิล์มบางด้วยกระบวนการสปัตเตอริงนั้นสามารถแบ่งได้เป็น  2 วิธี คือ วิธีดีซีสปัตเตอริง (DC Sputtering) จะใช้ไฟฟ้ากระแสตรงในการเคลือบฟิล์มซึ่งเหมาะกับสารเคลือบที่เป็นตัวนำไฟฟ้า และวิธีอาร์เอฟสปัตเตอริง (RF Sputtering) ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับย่านความถี่วิทยุให้กับขั้วแคโทดและขั้วแอโนด เหมาะกับสารเคลือบที่เป็นฉนวน

        นอกจากนี้ระบบสปัตเตอริงที่มีการใส่สนามแม่เหล็กเพิ่มเข้าไปในบริเวณขั้วแคโทด ทำให้อิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่แบบไซคลอยด์ ซึ่งจะส่งผลทำให้สามารถเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้นานขึ้นและมีเส้นทางการเคลื่อนที่มากขึ้น จึงเกิดการดิสชาร์จและได้ไอออนบวกมากขึ้น เป็นการเพิ่มโอกาสในการชนกันระหว่างอะตอมของแก็สเฉื่อยกับอะตอมของเป้าสารเคลือบ

รูปที่ 2 ระบบสปัตเตอริง

(ดัดแปลงจาก adnano-tek)

[1]     adnano-tek. UHV Magnetron Sputtering System (MDS). Retrived March, 5, 2020. From https://www.adnano-tek.com/magnetron-sputtering-deposition-msd.html.

การเคลือบฟิล์มบางแบบไอระเหยด้วยความร้อน (Thermal Evaporator)

รูปที่ 1 Thermal Evaporator

       Thermal Evaporator เป็นเครื่องสำหรับเคลือบฟิล์มบางแบบไอระเหยด้วยความร้อน ทำได้โดยให้ความร้อนกับสารเคลือบหรือลวดโลหะที่ต้องการเคลือบซึ่งอยู่ในสถานะของแข็ง เมื่อความร้อนที่ให้กับสารเคลือบมากพอจะทำให้สารเคลือบนั้นเปลี่ยนสถานะจากของแข็งกลายเป็นไอจากนั้นเกิดการฟุ้งกระจายขึ้นภายในภาชนะสุญญากาศเมื่อไอของสารเคลือบไปกระทบกับวัสดุรองรับที่อุณหภูมิเหมาะสม ก็จะเกิดควบแน่นเป็นของแข็งจับเกาะติดอยู่บนวัสดุรองรับหรือชิ้นงานที่ต้องการเคลือบ โดยสามารถเคลือบโลหะฟิล์มบางได้สามชนิดบนชิ้นงาน

        การเคลือบฟิล์มบางแบบไอระเหยด้วยความร้อนใช้วิธีการจ่ายไฟฟ้ากำลังสูงเข้าไปแผ่นโลหะที่ใช้เป็นตัวกำเนิดความร้อน ซึ่งความร้อนที่เกิดขึ้นนี้จะถ่ายเทไปยังสารเคลือบแล้วทำให้สารเคลือบ ระเหยกลายเป็นไอเพื่อไม่ให้เกิดการปนเปื้อนในสารที่ใช้สำหรับการเคลือบ แผ่นโลหะที่รองรับจะต้องสะอาดและไม่เกิดการระเหยหรือถูกหลอมละลายที่อุณหภูมิใช้งาน ชนิดของวัสดุที่ใช้เป็นแผ่นโลหะหรือภาชนะรองรับจะต้องไม่ทำปฏิกิริยากับสารที่จะทำการระเหย

         เครื่องสำหรับเคลือบฟิล์มบางแบบไอระเหยด้วยความร้อน (เครื่อง Thermal Evaporation) โดยทั่วไปประกอบด้วยอุปกรณ์พื้นฐาน ดังนี้

        1. ภาชนะสุญญากาศ: วัสดุต้องทำจากสเตนเลส เนื่องจากมีความทนทาน แข็ง ไม่เป็นสนิม ดูแลรักษาง่าย ที่สำคัญสเตนเลสมีปริมาณแก๊สสะสมในเนื้อน้อยทำให้ง่ายต่อการสร้างสภาวะสุญญากาศ เนื่องจากไม่เกิดการคายแก๊ส

      2. เครื่องสูบสุญญากาศ: สำหรับสร้างภาวะสุญญากาศในภาชนะสุญญากาศมีหลายแบบสำหรับระบบพื้นฐานที่ต้องการความดันในช่วง 10^-7-10^-5 mbar

         3. มาตรฐานวัดความดัน: เป็นอุปกรณ์วัดความดันภายในภาชนะสุญญากาศ

        4. อุปกรณ์ให้ความร้อนแก่ชิ้นงาน: เพื่อให้ได้ฟิล์มที่มีสมบัติตามที่ต้องการ รวมถึงเพื่อเพิ่มแรงยึดติดของฟิล์มกับวัสดุรองรับ ในการเคลือบบางครั้งจำเป็นต้องใช้ความร้อนร่วมในการเคลือบ ทำให้ต้องมีอุปกรณ์ให้ความร้อนแก่ชิ้นงาน

      5. แหล่งกำเนิดความร้อนเพื่อใช้ในการระเหยสารเคลือบ: เป็นการให้ความร้อนแก่สารเคลือบเพื่อให้สารเคลือบเปลี่ยนสถานะจากของแข็งกลายเป็นไอแล้วฟุ้งกระจายไปทั่วภาชนะสุญญากาศ ไปกระทบกับวัสดุรองรับซึ่งติดตั้งด้านบน

รูปที่ 2 แผนภาพการทำงานของ Electron beam Evaporator

[1]     สุรสิงห์ ไชยคุณ และนายนิรันดร์ วิทิตอนันต์. เครื่องเคลือบฟิล์มบางนาโนด้วยเทคนิคระเหยสารในสุญญากาศ. ภาควิชาฟิสิกส์. คณะวิทยาศาสตร์. มหาวิทยาลัยบูรพา. (2556).