Нанесение катодной дуги

Катодное дуговое осаждение или Arc-PVD представляет собой физический метод осаждения из паровой фазы , в котором электрическая дуга используется для испарения материала с катодной мишени. Затем испаряющийся материал конденсируется на подложке, образуя тонкую пленку . Этот метод можно использовать для нанесения металлических , керамических и композитных пленок.

Обработать

Процесс испарения дуги начинается с удара высоковольтной дуги низкого напряжения на поверхности катода (известной как мишень), которая приводит к образованию небольшой (обычно шириной в несколько микрометров ) высокоэнергетической излучающей области, известной как катод место. Локализованная температура в катодном пятне чрезвычайно велика (около 15000 ° C), что приводит к высокоскоростной (10 км / с) струе испарившегося катодного материала, оставляя кратер на поверхности катода. Катодное пятно действует только в течение короткого периода времени, затем оно самозатухает и воспламеняется в новой области, близкой к предыдущему кратеру. Такое поведение вызывает видимое движение дуги.

Поскольку дуга представляет собой в основном токопроводящий проводник, на нее может влиять применение электромагнитного поля , которое на практике используется для быстрого перемещения дуги по всей поверхности мишени, так что общая поверхность со временем разрушается.

Дуга имеет чрезвычайно высокую плотность мощности, что приводит к высокому уровню ионизации (30-100%), множественным заряженным ионам , нейтральным частицам, кластерам и макрочастицам (капелькам). Если в процессе испарения вводится реактивный газ, то при взаимодействии с потоком ионов может произойти диссоциация , ионизация и возбуждение, и будет осаждаться составная пленка.

Один недостаток процесса испарения дуги заключается в том, что если катодное пятно слишком долго находится в точке испарения, оно может выталкивать большое количество макрочастиц или капелек. Эти капли вредны для характеристик покрытия, так как они плохо склеены и могут проходить через покрытие. Хуже того, если материал катодной мишени имеет низкую температуру плавления, такую ​​как алюминий, катодное пятно может испаряться через мишень, в результате чего испаряется либо материал целевой пластинчатой ​​пластины, либо охлаждающая вода, поступающая в камеру. Поэтому магнитные поля, как упоминалось ранее, используются для управления движением дуги. Если используются цилиндрические катоды, катоды также могут вращаться во время осаждения. Не позволяя катодному пятну оставаться в одном положении слишком долго, могут использоваться алюминиевые мишени, а количество капель уменьшается. Некоторые компании также используют фильтрованные дуги, которые используют магнитные поля для отделения капель от потока покрытия.

Проектирование оборудования

Тип Sablev Источник катодной дуги, который наиболее широко используется на Западе, состоит из короткой цилиндрической формы электропроводящей мишени на катоде с одним открытым концом. Эта цель имеет электрически плавающее металлическое кольцо, окруженное работой в виде кольца удержания дуги (Стрельницкий щит). Анодом для системы может быть либо стенка вакуумной камеры, либо дискретный анод. Дуговые пятна генерируются механическим триггером (или воспламенителем), ударяющимся по открытому концу мишени, создавая временное короткое замыкание между катодом и анодом. После генерирования дуговых пятен они могут управляться магнитным полем или перемещаться случайным образом в отсутствие магнитного поля.

Пучок плазмы из источника катодной дуги содержит некоторые более крупные кластеры атомов или молекул (так называемые макрочастицы), которые не позволяют использовать его для некоторых приложений без какой-либо фильтрации. Существует много конструкций для макрочастичных фильтров, и наиболее изученный дизайн основан на работе И. И. Аксенова и др. в 70-х. Он состоит из четвертитокового канала, изогнутого на 90 градусов от источника дуги, и плазма выводится из канала по принципу плазменной оптики.

Существуют и другие интересные конструкции, такие как конструкция, которая включает в себя прямой фильтр фильтра, встроенный с усеченным конусообразным катодом, как сообщает Д. А. Карпов в 90-х годах. Этот дизайн стал довольно популярным среди тонких пленок и исследователей в России и странах бывшего СССР до сих пор. Источник катодной дуги может быть выполнен в длинную трубчатую форму (вытянутую дугу) или длинную прямоугольную форму, но обе конструкции менее популярны.

Приложения

Катодное дуговое осаждение активно используется для синтеза чрезвычайно твердой пленки для защиты поверхности режущих инструментов и значительного продления их срока службы. Благодаря этой технологии можно синтезировать широкий спектр тонких пленок, сверхтвердых покрытий и нанокомпозитных покрытий, включая TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN и TiAlSiN .

Это также довольно широко используется, в частности, для осаждения ионов углерода для создания алмазоподобных углеродных пленок. Поскольку ионы продуваются с поверхности баллистически , это характерно для не только одиночных атомов, но и больших скоплений атомов для выброса. Таким образом, для такой системы требуется фильтр для удаления кластеров атомов из пучка перед осаждением. Пленка DLC из отфильтрованной дуги содержит чрезвычайно высокий процент sp ³ алмаза, который известен как тетраэдрический аморфный углерод , или ta-C .

Отфильтрованная катодная дуга может использоваться в качестве источника ионов металла / плазмы для ионной имплантации и имплантации и осаждения ионной имплантированной плазмы (PIII & D).