Osadzanie łuku katodowego
Osadzanie łuku katodowego lub Arc-PVD to fizyczna technika osadzania z fazy gazowej , w której łuk elektryczny jest używany do odparowywania materiału z tarczy katodowej . Odparowany materiał następnie skrapla się na podłożu, tworząc cienką warstwę . Technika ta może być stosowana do osadzania warstw metalicznych , ceramicznych i kompozytowych .
Historia
Przemysłowe zastosowanie nowoczesnej technologii osadzania łukiem katodowym powstało w Związku Radzieckim około 1960–1970. Pod koniec lat 70. rząd sowiecki wypuścił tę technologię na Zachód. Spośród wielu projektów ówczesnego ZSRR, projekt LP Sablev i in. Dopuszczono do użytku poza ZSRR.
Proces
Proces odparowywania łuku rozpoczyna się od zajarzenia łuku o wysokim natężeniu i niskim napięciu na powierzchni katody ( zwanej tarczą), co powoduje powstanie małego (zwykle o szerokości kilku mikrometrów ), wysoce energetycznego obszaru emitującego, zwanego katodą. miejsce. Zlokalizowana temperatura w miejscu katody jest bardzo wysoka (około 15 000 ° C), co powoduje, że strumień odparowanego materiału katody o dużej prędkości (10 km/s) pozostawia krater na powierzchni katody. Plamka katodowa jest aktywna tylko przez krótki czas, po czym sama gaśnie i zapala się ponownie w nowym obszarze w pobliżu poprzedniego krateru. To zachowanie powoduje pozorny ruch łuku.
Ponieważ łuk jest w zasadzie przewodnikiem przewodzącym prąd, może na niego wpływać zastosowanie pola elektromagnetycznego , które w praktyce jest wykorzystywane do szybkiego przesuwania łuku po całej powierzchni celu, tak że cała powierzchnia ulega erozji w miarę upływu czasu.
Łuk ma wyjątkowo dużą gęstość mocy , co skutkuje wysokim poziomem jonizacji (30-100%), wieloma naładowanymi jonami , neutralnymi cząstkami, skupiskami i makrocząstkami (kropelkami). Jeśli podczas procesu odparowywania zostanie wprowadzony gaz reaktywny, strumieniem jonów może dojść do dysocjacji , jonizacji i wzbudzenia , co spowoduje osadzanie się błony złożonej.
Wadą procesu odparowywania łukowego jest to, że jeśli plamka katody pozostaje zbyt długo w punkcie parowania, może wyrzucić dużą ilość makrocząsteczek lub kropel. Te kropelki są szkodliwe dla działania powłoki, ponieważ słabo przylegają i mogą przenikać przez powłokę. Co gorsza, jeśli materiał tarczy katody ma niską temperaturę topnienia, na przykład aluminium , plamka katody może odparować przez tarczę, co powoduje odparowanie materiału tarczy nośnej lub przedostanie się wody chłodzącej do komory. Dlatego pola magnetyczne, jak wspomniano wcześniej, są wykorzystywane do sterowania ruchem łuku. Jeśli stosuje się cylindryczne katody, katody można również obracać podczas osadzania. Nie pozwalając, aby plamka katody pozostawała w jednym położeniu, można zastosować zbyt długie tarcze aluminiowe i zmniejszyć liczbę kropel. Niektóre firmy stosują również filtrowane łuki, które wykorzystują pola magnetyczne do oddzielania kropelek od topnika do powlekania.
Projekt wyposażenia
Źródło łuku katodowego typu Sablev, które jest najczęściej stosowane na Zachodzie, składa się z krótkiej cylindrycznej tarczy przewodzącej elektryczność na katodzie z jednym otwartym końcem. Ten cel ma otaczający go elektrycznie unoszący się metalowy pierścień, który działa jak pierścień ograniczający łuk (tarcza Strel'nitskij). Anodą systemu może być ściana komory próżniowej lub dyskretna anoda. Plamy łukowe są generowane przez mechaniczny wyzwalacz (lub zapalnik) uderzający w otwarty koniec tarczy, powodując tymczasowe zwarcie między katodą a anodą. Po wygenerowaniu plam łukowych można nimi sterować za pomocą pola magnetycznego lub poruszać się losowo w przypadku braku pola magnetycznego.
Wiązka plazmy ze źródła łuku katodowego zawiera większe skupiska atomów lub cząsteczek (tak zwane makrocząsteczki), które uniemożliwiają jej przydatność do niektórych zastosowań bez pewnego rodzaju filtrowania. Istnieje wiele projektów filtrów makrocząstek, a najlepiej przebadany projekt opiera się na pracy II Aksenova i in. w latach 70. Składa się z kanału ćwiartkowego torusa zagiętego pod kątem 90 stopni od źródła łuku, a plazma jest wyprowadzana z kanału na zasadzie optyki plazmowej.
Istnieją również inne interesujące projekty, takie jak projekt, który zawiera prosty filtr kanałowy wbudowany z katodą w kształcie ściętego stożka, jak donosił DA Karpov w latach 90. Do tej pory ten projekt stał się dość popularny zarówno wśród powlekaczy cienkowarstwowych, jak i badaczy w Rosji i krajach byłego ZSRR. Źródła łuku katodowego można przekształcić w długi rurowy kształt (rozszerzony łuk) lub długi prostokątny kształt, ale oba projekty są mniej popularne.
Aplikacje
Osadzanie łuku katodowego jest aktywnie wykorzystywane do syntezy niezwykle twardych warstw w celu ochrony powierzchni narzędzi skrawających i znacznego wydłużenia ich żywotności. Za pomocą tej technologii można zsyntetyzować szeroką gamę cienkich twardych powłok, supertwardych powłok i powłok nanokompozytowych , w tym TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN i TiAlSiN .
Jest to również dość szeroko stosowane, szczególnie do osadzania jonów węgla w celu tworzenia warstw węglowych podobnych do diamentu . Ponieważ jony są wyrzucane z powierzchni balistycznie , często wyrzucane są nie tylko pojedyncze atomy, ale także większe skupiska atomów. Dlatego ten rodzaj systemu wymaga filtra do usuwania klastrów atomów z wiązki przed osadzeniem. Film DLC z łuku filtrowanego zawiera bardzo wysoki procent diamentu sp 3 , który jest znany jako tetraedryczny węgiel amorficzny lub ta-C .
Filtrowany łuk katodowy może być używany jako źródło jonów metali/plazmy do implantacji jonów oraz implantacji i osadzania jonów w zanurzeniu w plazmie (PIII&D).
Zobacz też
- SVC „51st Annual Technical Conference Proceedings” (2008) Society of Vacuum Coaters, ISSN 0737-5921 (poprzednie materiały dostępne na płycie CD w SVC Publications)
- A. Anders, „Łuki katodowe: od plam fraktalnych do kondensacji energii” (2008) Springer, Nowy Jork.
- RL Boxman, DM Sanders i PJ Martin (redaktorzy) „Handbook of Vacuum Arc Science and Technology” (1995) Noyes Publications, Park Ridge, NJ
- Brown, IG, Annu. Wielebny Mat. nauka 28, 243 (1998).
- Sablev i in., patent USA nr 3 783 231, 1 stycznia 1974 r.
- Sablev i in., patent USA nr 3 793 179, 19 lutego 1974 r.
- DA Karpow, „Źródła łuku katodowego i filtrowanie makrocząsteczek”, Technologia powierzchni i powłok 96 (1997) 22-23
- S. Surinphong, „Podstawowa wiedza o systemach PVD i powłokach do powlekania narzędzi” (1998), w języku tajskim
- A. Morozow, Sprawozdania Akademii Nauk ZSRR, 163 (1965) 1363, po rosyjsku
- II Aksenov, VA Belous, VG Padałka, VM Khoroshikh, "Transport strumieni plazmy w systemie krzywoliniowej plazmy-optyki", Soviet Journal of Plasma Physics, 4 (1978) 425
- https://www.researchgate.net/publication/273004395_Arc_source_designs
- https://www.researchgate.net/publication/234202890_Transport_of_plasma_streams_in_a_curvilinear_plasma-optics_system