Introducerea depunerii cu arc catodic

Depunerea cu arc catodic este un procedeu pe scară largă la scară industrială pentru aplicarea acoperirilor subțiri de înaltă calitate. Procesul se bazează pe fizica arcului catodic de joasă tensiune, de curent înalt, care produce o plasmă densă și foarte ionizată. Aplicarea prin arc catodic este caracterizată de o plasmă de depozitare ionizată de aproape 100% cu ioni de depunere relativ de înaltă energie.

Depunerea prin arc catodic funcționează în condiții de vid folosind capete de depunere special concepute. Depunerea prin arc catodic poate fi acționată fie în mod DC, fie în modul pulsatoriu. În ambele cazuri, o sursă de alimentare aplică o tensiune care produce o descărcare de arc între un anod și catod. Curentul arcului este concentrat pe o suprafață mică de pe catod care creează o densitate de curent extrem de ridicată (~ 1012 A / m2) la ceea ce se numește în general "pete de catod".

Această densitate ridicată a curentului este asociată cu o densitate de putere extrem de ridicată (~ 1013 W / m2) care produce o transformare de fază localizată a țintă solidă (materialul catodic) în plasma de depunere aproape complet ionizată. Plasma se extinde rapid în vidul ambiental către substrat.

La momentul depunerii pe substrat, plasma are viteze de ioni cu energii cinetice de aproximativ 20 eV pentru elementele luminoase și 200 eV pentru elementele grele. Acest lucru poate fi comparat cu sputtering, în cazul în care energia este de câteva eV cel mult.  

Există o serie de avantaje pentru energiile ionice mai mari asociate cu depunerea cu arc catodic. De exemplu, filmele cu ardere catodică au tendința de a fi mai dense și au caracteristici de adeziune mai bune decât filmele produse prin alte metode. Atomii depuși penetrează suprafața, blocând învelișul pe suprafață cu o aderență ridicată.

Ionii energetici creați prin depunerea cu arc catodic permit, de asemenea, utilizarea unor temperaturi inferioare ale substratului în comparație cu alte procese. Acest lucru se datorează faptului că ionii de depunere prin arc catodic poartă suficientă energie pentru a forma filme dense, compacte, fără a fi nevoie de energie termică suplimentară care să fie furnizată de substrat.

Acțiunea de ionizare cu arc catodic are o fracțiune mare de ionizare care permite controlul materialului de depunere. De exemplu, prin influențarea substratului, energia de impact a ionilor pe substrat poate fi mărită. Fluxul de plasmă poate fi de asemenea creat cu ajutorul câmpurilor magnetice, ceea ce permite ca materialul de depunere să fie deplasat în jurul suprafeței, mediazând acoperirea fără a muta substratul.

Pentru depunerea reactivă, depunerea prin ardere catodică permite producerea de filme precise chimice pe o gamă largă de presiuni de gaz. Acest lucru ușurează necesitatea unui control precis al presiunii, care mărește randamentul și reduce reworkurile, reducând costul de acoperire. Spre deosebire de aceasta, pulverizarea reactivă are de obicei "otrăvire țintă", în care oxigenul atinge suprafața țintă și formează oxizi, influențând rata de pulverizare. Acest lucru creează probleme de uniformitate cu stratul de acoperire. Datorită energiei asociate proceselor de depunere prin arc catodic, otrăvirea țintă nu are loc la fel de ușor, producând filme mai uniforme cu mai puține probleme.

Procesul de depunere prin arc catodic produce așa-numitele "macro particule" (sau picături) împreună cu plasmă de depunere. Particulele de macrocină variază în dimensiune de la mai puțin de un micrometru până la aproximativ 10 micrometri în diametru. Pentru multe aplicații de acoperire (acoperirea cu scule, de exemplu), particulele macro nu sunt dăunătoare și nu sunt luate măsuri pentru a le elimina. Cu toate acestea, pentru unele aplicații (de exemplu, învelișurile optice), macrosurile degradează suficient stratul de acoperire astfel încât acestea trebuie îndepărtate. Acest lucru este realizat, în general, folosind filtre magnetice de 90 de grade care ghidează plasmă de depunere de la traiectoriile liniei drepte ale macrocomenzilor. Folosind un filtru, peste 99% din macro-uri sunt eliminate, producând acoperiri de înaltă calitate, fără particule.