Depunerea cu arc catodic

Aplicarea catodică a arcului sau Arc-PVD este o tehnică fizică de depunere prin vapori în care un arc electric este utilizat pentru a vaporiza materialul dintr-o țintă catodică . Materialul vaporizat apoi se condensează pe un substrat, formând un film subțire . Tehnica poate fi utilizată pentru depozitarea filmelor metalice , ceramice și compozite .

Proces

Procesul de evaporare a arcului începe cu lovirea unui arc de curent ridicat , de joasă tensiune, pe suprafața unui catod (cunoscut ca țintă), care dă naștere unei zone de emisie redusă (de obicei de câteva micrometri ), extrem de energetică cunoscută sub numele de catod loc. Temperatura localizată la locul catodului este extrem de ridicată (aproximativ 15000 ° C), rezultând un jet de viteză mare (10 km / s) de material catodic vaporizat, lăsând un crater în spatele suprafeței catodului. Punctul catodic este activ numai pentru o perioadă scurtă de timp, apoi se auto-stinge și se reaprinde într-o zonă nouă apropiată de craterul anterior. Acest comportament provoacă mișcarea aparentă a arcului.

Deoarece arcul este în esență un conductor care poartă curentul, acesta poate fi influențat de aplicarea unui câmp electromagnetic , care în practică este utilizat pentru a deplasa rapid arcul peste întreaga suprafață a țintei, astfel încât suprafața totală este erodată în timp.

Arcul are o densitate de putere extrem de ridicată, rezultând un nivel ridicat de ionizare (30-100%), ioni multipli încărcați , particule neutre, clustere și macro-particule (picături). Dacă se introduce un gaz reactiv în timpul procesului de evaporare, disocierea , ionizarea și excitarea pot apărea în timpul interacțiunii cu fluxul de ioni și se va depune un film compus.

Un dezavantaj al procesului de evaporare a arcului este acela că, dacă pata catodică rămâne la un punct de evaporare prea mult timp, poate scoate o cantitate mare de macro-particule sau picături. Aceste picături sunt în detrimentul performanței stratului de acoperire, deoarece sunt lipsite de aderență și se pot extinde prin acoperire. Mai rău, dacă materialul țintă catodic are un punct de topire scăzut, cum ar fi aluminiu , pata catodică se poate evapora prin țintă, rezultând fie că materialul plăcii țintă de sprijin este evaporat, fie că apa de răcire pătrunde în cameră. Prin urmare, câmpurile magnetice, așa cum au fost menționate anterior, sunt folosite pentru a controla mișcarea arcului. Dacă sunt utilizați catozi cilindrici, catodii pot fi de asemenea rotiți în timpul depunerii. Prin faptul că nu permiteți ca petele catodice să rămână într-o poziție, pot fi utilizate ținte de aluminiu prea lungi și numărul picăturilor este redus. Unele companii utilizează de asemenea arce filtrate care utilizează câmpuri magnetice pentru a separa picăturile de fluxul de acoperire.

Proiectare echipament

Tipul Sablev Sursa de arc catodic, care este cea mai utilizată în Occident, constă dintr-o țintă electrică conductivă electrică de formă cilindrică scurtă la catod cu un capăt deschis. Această țintă are un inel metalic plutitor electric, înconjurat ca un inel de închidere a arcului (scut Strel'nitskij). Anodul pentru sistem poate fi fie peretele camerei de vid sau un anod discret. Punctele de arc sunt generate de un declanșator mecanic (sau de aprindere) lovind capătul deschis al țintei, făcând un scurtcircuit temporar între catod și anod. După generarea petelor de arc, acestea pot fi direcționate prin câmp magnetic sau deplasate aleatoriu în absența câmpului magnetic.

Fasciculul de plasmă din sursa Arc Catodic conține câteva grupări mai mari de atomi sau molecule (așa-numitele macro-particule), care îl împiedică să fie util pentru anumite aplicații fără un fel de filtrare. Există multe modele pentru filtrele cu particule de macro-particule, iar designul cel mai studiat se bazează pe lucrarea lui II Aksenov și colab. în anii '70. Se compune dintr-o conductă de patru-torus îndoită la 90 de grade față de sursa de arc, iar plasma este ghidată din conductă prin principiul optic plasmatic.

Există, de asemenea, alte modele interesante, cum ar fi un design care încorporează un filtru drept conducte încorporat cu un catod conic trunchiat, după cum a raportat DA Karpov în anii '90. Acest design a devenit destul de popular atât în ​​rândul filmelor subțiri de film și al cercetătorilor din Rusia, cât și din țările fostei URSS până acum. Sursa arcului catodic poate fi făcută în formă tubulară lungă (arc extins) sau formă lungă dreptunghiulară, dar ambele modele sunt mai puțin populare.

Aplicații

Aplicarea catodică a arcului este utilizată în mod activ pentru sinteza filmului extrem de dur pentru a proteja suprafața uneltelor de tăiere și pentru a-și extinde semnificativ viața. O varietate largă de straturi subțiri de film dur, acoperire Superhard și acoperiri nanocompozite pot fi sintetizate prin această tehnologie, inclusiv TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN și TiAlSiN .

Acest lucru este utilizat, de asemenea, destul de extensiv, în special pentru depunerea de ioni de carbon pentru a crea filme de carbon de tip diamant . Deoarece ionii sunt bombardați de pe suprafața balistică , este comună nu numai atomii unici, ci și grupuri mai mari de atomi care urmează să fie evacuate. Astfel, acest tip de sistem necesită un filtru pentru a îndepărta grupurile de atomi din fascicul înainte de depunere. Pelicula DLC din arc filtrat conține un procent extrem de ridicat de diamant sp ^3, cunoscut sub numele de carbon tetraedric amorf sau ta-C .

Filtratul arc catodic poate fi utilizat ca sursă de ioni metalici / plasmă pentru implantarea ionilor și implantarea și depunerea ionilor de imersiune în plasmă (PIII și D).