การเคลือบแข็งยิ่งยวดฟิล์มคาร์บอนอสัณฐาน

การเคลือบแข็งผิวโลหะเพื่อเพิ่มความแข็ง และลดการสึกหรอ ช่วยยืดอายุการใช้งานของวัสดุให้ยาวนานขึ้น กระบวนการเคลือบแข็งถูกใช้ในอุตสาหกรรมมาอย่างยาวนาน การเคลือบแข็งสามารถจำแนกได้เป็น 3 ประเภท แบ่งตามระดับความแข็งของฟิล์ม [1]

1. Hard coating ฟิล์มที่มีความแข็ง ตั้งแต่ 20 – 40 GPa
2. Superhard coating ฟิล์มที่มีความแข็ง ตั้งแต่ 40 – 80 GPa
3. Ultrahard coating ฟิล์มที่มีความแข็งมากกว่า 80 GPa

ฟิล์มคาร์บอน มีโครงสร้างแบบอสัณฐาน (amorphous) ประกอบด้วยพันธะคาร์บอน sp² และ sp³ คุณสมบัติฟิล์มคาร์บอนจะขึ้นอยู่กับสัดส่วนของพันธะ sp³ และ sp²  ฟิล์มคาร์บอนมีคุณสมบัติด้านความแข็งใกล้เคียงเพชร (เพชรมีความแข็งระดับ 100 GPa หรือจิกะปาสกาล) จึงนิยมเรียกว่า ฟิล์มคาร์บอนคล้ายเพชร (diamond-like carbon) หรือ DLC ในช่วง 2 ทศวรรษที่ผ่านมา ฟิล์มคาร์บอนคล้ายเพชรได้รับความสนใจนำไปประยุกต์ใช้หลากหลายด้าน เพราะนอกจากมีความแข็งแล้วยังมีสมบัติอื่นๆที่น่าสนใจ เช่น สัมประสิทธิ์ความเสียดทานต่ำ ทำให้ลดการสึกหรอได้ดี ทนต่อการกัดกร่อนทางเคมี เข้ากันได้กับเนื้อเยื่อสิ่งมีชีวิต เป็นต้น จะเห็นว่าฟิล์มคาร์บอนอสัณฐานหรือฟิล์มคาร์บอนคล้ายเพชร สามารถมีความแข็งได้ตั้งแต่ระดับ hard coating จนถึง ultra hard coating ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของฟิล์มคาร์บอน และสัดส่วนของพันธะ sp³ และ sp²

ฟิล์มคาร์บอนอสัณฐาน สามารถจำแนกได้เป็น 2 กลุ่ม คือ

1. Hydrogenated amorphous carbon (a-C:H): ฟิล์มประกอบด้วยสัดส่วนของพันธะคาร์บอน sp³ ระหว่าง 20 – 60 %
2. Non-hydrogenated amorphous carbon: ฟิล์มประกอบด้วยสัดส่วนของพันธะคาร์บอน sp³ ระหว่าง 60 – 90 % จึงเรียกว่า tetrahedral amorphous carbon (ta-C)

ความแข็งของฟิล์มคาร์บอนอสัณฐานจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของพันธะ sp³ โดยที่ปริมาณของพันธะ sp³ ก็ขึ้นอยู่กับพลังงานของคาร์บอนอะตอมหรือไอออน พลังงานของคาร์บอนประมาณ 100 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) จะให้ปริมาณสัดส่วนพันธะคาร์บอน sp³ สูงที่สุด ตามรูปที่ 1

รูปที่ 1 แสดงปริมาณของสัดส่วนพันธะคาร์บอน sp³ (แกนตั้ง) ที่ขึ้นกับพลังงานของไออนคาร์บอน (แกนนอน ในหน่วยอิเล็กตรอนโวลต์) [2]

การเตรียมฟิล์มคาร์บอนมีหลายวิธี  ฟิล์มคาร์บอนที่เกิดจากแต่ละวิธีจะมีสมบัติแตกต่างกัน ฟิล์ม a-C:H ส่วนใหญ่เตรียมด้วยเทคนิค Plasma Enhanced CVD (PECVD) หน่วยวิจัยเทคโนโลยีพลาสมา ณ มหาวิทยาลัยมหาสารคามได้ใช้เทคนิค RF-PECVD สำหรับเตรียมฟิล์ม a-C:H ดังแสดงในรูปที่ 2 โดยใช้แหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุความถี่ 13.56 MHz เป็นแหล่งกำเนิดพลาสมาและแก๊สผสม Ar+C₂H₂ สำหรับการเคลือบ ผลการทดลองพบว่าเฉดสีของฟิล์ม a-C:H เปลี่ยนไปตามระยะเวลาการตกสะสม ซึ่งสอดคล้องกับค่าความหนาของฟิล์มที่เพิ่มขึ้น ฟิล์มมีค่าความแข็งประมาณ 15.16 GPa

รูปที่ 2 ระบบเคลือบฟิล์มด้วยเทคนิค RF-PECVD

โครงการวิจัยนี้ได้ให้ความสนใจในการพัฒนาระบบเคลือบแข็งยิ่งยวดฟิล์มคาร์บอนอสัณฐาน โดยใช้เทคนิคการเคลือบแบบ Filtered Cathodic Vacuum Arc (FCVA) สำหรับเคลือบฟิล์ม ta-C ดังใน รูปที่ 3 เนื่องจากผลิตพลาสมาที่มีความหนาแน่นพลาสมาที่สูง อะตอมแตกตัวเป็นไอออนเกือบร้อยเปอร์เซ็นต์ แกรไฟต์ถูกใช้เป็นขั้วแคโทด (cathode) ของแหล่งกำเนิดพลาสมา ด้วยสนามไฟฟ้าที่สูงและอุณหภูมิที่สูงทำให้เกิดบริเวณเล็กๆที่เรียกว่า cathode spot ที่ผิวของแคโทดแกรไฟต์ ที่บริเวณดังกล่าวไอระเหยของแกรไฟต์จะถูกทำให้แตกตัวเป็นไอออนของคาร์บอนในรูปของพลาสมา แล้วถูกล่อให้วิ่งไปตกสะสมบนชิ้นงานรองรับ (substrate)

รูปที่ 3 แผนภาพของแหล่งกำเนิดพลาสมาแบบ FCVA

พลังงานจลน์ของไอออนคาร์บอนที่วิ่งออกมาจากแหล่งกำเนิดพลาสมาแบบ FCVA มีค่าประมาณ 20 eV [3] เพื่อให้พลังงานของไอออนอยู่ในช่วงที่ทำให้ฟิล์มมีปริมาณพันธะคาร์บอน sp³ เพิ่มขึ้น สามารถทำได้โดยการไบอัส (bias) ศักย์ไฟฟ้าได้ 2 แบบ

1. Substrate biasing วิธีนี้ศักย์ไฟฟ้าลบจะถูกจ่ายให้กับชิ้นงาน ไอออนจะถูกเร่งข้ามพลาสมาชีตท์ (plasma sheath) ระหว่างพลาสมาและชิ้นงาน วิธีนี้เหมาะกับชิ้นงานหรือฟิล์มที่เป็นตัวนำไฟฟ้า
2. Plasma biasing วิธีนี้ศักย์ไฟฟ้าบวกจะถูกจ่ายให้กับขั้วแอโนด (anode) ของแหล่งกำเนิดพลาสมา ทำให้ไอออนที่จ่ายออกมาถูกเร่งให้มีพลังงานเพิ่มขึ้นไปยังชิ้นงานที่ต่ออยู่กับกราวด์ [4]

พลังงานของไอออนคาร์บอนมีความสำคัญต่อสมบัติของฟิล์มคาร์บอนตามที่กล่าวมาแล้ว ดังนั้นการวัดพลังงานไอออนมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง ทางโครงการวิจัยได้พัฒนาเครื่องมือวัดพลังงานไอออนที่เรียกว่า retarding field analyzer (RFA) โดยเฉพาะพลังงานไอออนที่ผลิตจากแหล่งกำเนิดพลาสมาแบบ FCVA ที่สร้างพลาสมาแบบห้วง (pulsed plasma) ต้องใช้เทคนิคพิเศษที่เรียกว่า time-resolve retarding field analyzer ซึ่งจะได้นำเสนอในโอกาสต่อไป ในบทความนี้ขอเสนอการพัฒนาระบบควบคุมการเคลือบฟิล์มด้วยคอมพิวเตอร์

การพัฒนาระบบควบคุมการเคลือบฟิล์มสำหรับงาน super hard coating

ระบบเคลือบฟิล์มบาง เป็นระบบที่ซับซ้อน ประกอบขึ้นจากอุปกรณ์หลายภาคส่วน เช่น ปั๊มสุญญากาศ อุปกรณ์วัดทางสุญญากาศ อุปกรณ์นำส่งแก๊ส และอุปกรณ์ทางไฟฟ้า เป็นต้น   การเดินระบบเคลือบฟิล์มบาง จึงเกี่ยวข้องกับการทำงานร่วมกันอย่างเป็นลำดับขั้นของอุปกรณ์ข้างต้น เช่น การสร้างสภาวะความดันต่ำภายในห้องเคลือบ ต้องดำเนินการเปิดปั๊มสุญญากาศแต่ละชนิด และเปิด/ปิดวาล์วสุญญากาศแต่ละชิ้นอย่างเป็นลำดับ ภายใต้เงื่อนไขที่รัดกุม   ความผิดพลาดจากการเดินระบบสุญญากาศที่ไม่รัดกุมจะทำให้เกิดอันตรายต่อผู้เดินระบบ และเกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ของระบบเคลือบ

รูปที่ 4   แผนผังระบบเคลือบฟิล์มบางที่ปรับปรุงใหม่ ให้สามารถควบคุมการทำงานของอุปกรณ์บางส่วนด้วยคอมพิวเตอร์ เช่น วาล์วเปิด/ปิดต่างๆ, ตัวควบคุมการปล่อยแก๊ส (MFC), เกจวัดความดัน เป็นต้น

ทางโครงการวิจัยได้พัฒนาระบบเคลือบที่สามารถดำเนินการด้วยการควบคุมผ่านคอมพิวเตอร์ เพื่ออำนวยความสะดวกและลดความผิดพลาดระหว่างการเดินระบบ   รูปที่ 4 แสดงแผนผังระบบเคลือบที่ได้รับการปรับปรุงใหม่

รูปที่ 5   แผนผัง PXI-computer ที่ทำหน้าที่ควบคุม กำหนดค่า ตรวจวัดสถานะ แสดงผล และประมวลผลการทำงานระบบเคลือบและกระบวนการเคลือบฟิล์มบาง

อุปกรณ์ทั้งหลายในระบบเคลือบถูกควบคุม กำหนดค่า และตรวจวัดสถานะ เพื่อนำไปประมวลและแสดงผลผ่านคอมพิวเตอร์ ในโครงการนี้ ได้เลือกใช้คอมพิวเตอร์ที่รองรับระบบ PCI extensions for instrumentation (PXI) ซึ่งเป็นระบบที่ถูกออกแบบให้มีส่วนสนับสนุนงานด้านการตรวจวัดและการควบคุม   แผนผัง PXI-computer ที่ใช้ควบคุมระบบและกระบวนการเคลือบฟิล์มบางแสดงในรูปที่ 5   PXI-computer มีองค์ประกอบและการทำงานเหมือนคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล แบ่งเป็นส่วนฮาร์ดแวร์ และส่วนซอร์ฟแวร์

ส่วนฮาร์ดแวร์ของ PXI-computer ประกอบด้วย ส่วนอุปกรณ์พื้นฐาน เช่น หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) จอแสดงผล คีย์บอร์ด เมาส์ และส่วนอุปกรณ์ตรวจวัด/ควบคุมเฉพาะด้าน ประกอบด้วย โมดูลจ่ายสัญญาณศักย์ไฟฟ้า SMU, โมดูลควบคุมรีเลย์, โมดูลรับส่งสัญญาณแอนะล็อก และโมดูลดิจิทัลมิเตอร์   โมดูลเหล่านี้ถูกเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่ติดตั้งในระบบเคลือบ เพื่อควบคุม กำหนดค่า และตรวจวัดสถานะของอุปกรณ์เหล่านั้น เช่น โมดูลรีเลย์ทำหน้าที่ส่งสัญญาณไปควบคุมการเปิด/ปิด gate valves   โมดูลรับส่งสัญญาณแอนะล็อกทำหน้าที่อ่านสัญญาณความดันจาก wide-range gauge เป็นต้น

PXI-computer ทำงานภายใต้ระบบปฏิบัติการ Window 10 และใช้โปรแกรม Labview เพื่อพัฒนาชุดคำสั่งที่ใช้สั่งการโมดูลต่างๆ ข้างต้นให้ทำหน้าที่ร่วมกันเพื่อควบคุมระบบเคลือบและกระบวนการเคลือบ

ชุดคำสั่งที่ได้พัฒนาแล้วจะถูกแปลงไปเป็น application เพื่อใช้งานโดยตรง   application ที่ได้รับการพัฒนาขึ้นในโครงการนี้ประกอบด้วย Vacuum control ทำหน้าที่ควบคุมระบบเคลือบฟิล์มบาง

รูปที่ 6   ภาพที่ปรากฏบนหน้าจอคอมพิวเตอร์ขณะใช้โปรแกรม Vacuum control ที่พัฒนาขึ้น

ตัวอย่างภาพหน้าจอแสดงผลขณะใช้โปรแกรม Vacuum control แสดงในรูปที่ 6   ผู้ใช้สามารถควบคุม สั่งงาน กำหนด และติดตามสถานะภาพอุปกรณ์ในระบบเคลือบจาก interface ที่ปรากฏบนหน้าจอนี้  เช่น สามารถสั่งเปิด/ปิด backing valve ที่ต่ออยู่ระหว่าง turbo pump กับ rotary pump โดยใช้เมาส์กดที่ตำแหน่งสวิตซ์ BV   หรือแสดงค่าความดันจาก wide-range gauge และ capacitance gauge ในกล่องแสดงผล W gauge และ C gauge ตามลำดับ   หรือกำหนดค่าอัตราไหลแก๊สอาร์กอนและแก๊สไนโตรเจนในกล่องรับข้อมูล เป็นต้น

เอกสารอ้างอิง

[1] S. Zhang, D. Sun, Y. Fu and H. Du, “Recent advances of superhard nanocomposite coatings: a review”, Surface and Coatings Technology 167 (2003) 113–119.

[2] J. Robertson, “Plasma deposition of diamond-like carbon”, Japanese Journal of Applied Physics 50 (2011) 01AF01.

[3] A. Anders and G. Y. Yushkov, “Ion flux from vacuum arc cathode spots in the absence and
presence of a magnetic field”, J. Appl. Phys. 91 (2002) 4824.

[4] A. Anders, N. Pasaja, S. H. N. Lim, T. C. Petersen and V. J. Keast, “Plasma biasing to control the growth conditions of diamond-like carbon”, Surface & Coatings Technology 201 (2007) 4628–4632.

รายงานโดย

ดร. นิติศักดิ์ ปาสาจะ, ผศ.ดร. อาทิตย์ ฉิ่งสูงเนิน และ ผศ.ดร. พิษณุ พูลเจริญศิลป์

หน่วยวิจัยเทคโนโลยีพลาสมา ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม จ. มหาสารคาม-44150

Email: nitisak.p@msu.ac.th