Zloženie katódového oblúka

Depozícia katódovým oblúkom alebo Arc-PVD je fyzikálna metóda nanášania výparov, pri ktorej sa elektrický oblúk používa na odparovanie materiálu z katódového cieľa. Odparovaný materiál potom kondenzuje na substráte a vytvára tenký film . Technika sa môže použiť na uloženie kovových , keramických a kompozitných fólií.

proces

Proces odparovania oblúka začína narážaním na vysoko prúdový oblúk nízkeho napätia na povrchu katódy (známej ako cieľ), ktorý vedie k vzniku malej (obvykle niekoľko mikrometrov širokej), vysoko energeticky emitujúcej oblasti známej ako katóda miesto. Lokalizovaná teplota na mieste katódy je extrémne vysoká (okolo 15000 ° C), čo má za následok vysokú rýchlosť (10 km / s) prúdu materiálu s odparovanou katódou, pričom na povrchu katódy zostáva kráter. Bodová katóda je aktívna len krátko, potom sa sama zhasne a znovu sa zapáli v novej oblasti blízko predchádzajúceho krátera. Toto správanie spôsobuje zjavný pohyb oblúka.

Vzhľadom k tomu, že oblúk je v podstate vodič prúdu, môže byť ovplyvnený aplikáciou elektromagnetického poľa , ktoré sa v praxi používa na rýchle premiestňovanie oblúka po celom povrchu cieľa tak, aby sa celkový povrch erodoval v priebehu času.

Oblúk má extrémne vysokú hustotu výkonu, čo má za následok vysokú úroveň ionizácie (30 až 100%), viacnásobné nabité ióny , neutrálne častice, zhluky a makročastice (kvapôčky). Ak sa počas procesu odparovania zavádza reaktívny plyn, počas interakcie s iónovým tokom sa môže vyskytnúť disociácia , ionizácia a excitácia a zloženie zloženého filmu.

Jednou zo stránok procesu odparovania oblúka je to, že ak sa katódová škvrna udrží na príliš dlhom bode odparovania, môže vysunúť veľké množstvo makročastic alebo kvapôčok. Tieto kvapôčky škodia účinku povlaku, pretože sú slabo lepené a môžu prechádzať povlakom. Horšie, ak cieľový materiál katódy má nízku teplotu topenia, ako je hliník, katódová škvrna sa môže vyparovať cez cieľ, čo vedie buď k tomu, že sa cieľový materiál zadnej dosky odparuje, alebo chladiaca voda vstupuje do komory. Preto sa magnetické polia, ako bolo uvedené vyššie, používajú na riadenie pohybu oblúka. Ak sa používajú valcové katódy, katódy sa môžu počas nanášania natáčať. Tým, že nedovoľme, aby bola katódová škvrna v jednej polohe príliš dlhá, je možné použiť hliníkové ciele a znížiť počet kvapôčok. Niektoré spoločnosti tiež používajú filtrované oblúky, ktoré používajú magnetické polia na oddelenie kvapôčok od povlaku.

Návrh zariadenia

Sablev typ Zdroj katódového oblúka, ktorý je najpoužívanejší na Západe, pozostáva z elektrického vodivého cieľa s krátkym valcovitým tvarom na katóde s jedným otvoreným koncom. Tento cieľ má elektricky plávajúci kovový prsteň obklopený pracujúcim ako oblúkový krúžok (Strel'nitskij štít). Anódou pre systém môže byť buď vákuová komora alebo diskrétna anóda. Oblúkové škvrny sú generované mechanickým spúšťačom (alebo zapaľovačom) zasiahnutým na otvorenom konci cieľa, čo spôsobuje dočasné skratovanie medzi katódou a anódou. Po vytvorení oblúkových škvŕn môžu byť riadené magnetickým poľom alebo sa pohybujú náhodne v neprítomnosti magnetického poľa.

Plazmový lúč z katódového oblúkového zdroja obsahuje niektoré väčšie zhluky atómov alebo molekúl (tzv. Makročastice), ktoré zabraňujú tomu, aby boli užitočné pre niektoré aplikácie bez nejakého filtrovania. Existuje veľa návrhov na filtre makropásičiek a najviac študovaný dizajn je založený na práci II Aksenova a kol. v 70. rokoch. Skladá sa zo štyroch torusových kanálov ohnutých na 90 stupňov od zdroja oblúka a plazma je vedená z potrubia pomocou princípu plazmovej optiky.

Existujú aj iné zaujímavé vzory, ako je dizajn, ktorý obsahuje filter s priamym kanálikom so zabudovanou kockou tvarovanou katódou, ako to uviedol DA Karpov v deväťdesiatych rokoch. Tento dizajn sa stal dosť populárnym medzi tenkými vrstvami tvrdých filmov, ako aj výskumníkmi v Rusku a bývalými krajinami ZSSR. Zdroj katódového oblúka môže byť vyrobený do dlhého trubkového tvaru (predĺžený oblúk) alebo dlhého obdĺžnikového tvaru, ale obidve konštrukcie sú menej populárne.

aplikácia

Aplikácia katódového oblúka sa aktívne používa na syntetizovanie extrémne tvrdých fólií na ochranu povrchu rezných nástrojov a podstatne predlžuje ich životnosť. Širokú škálu tenkých vrstiev z tvrdého filmu, Superhard a nanokompozitných povlakov je možné syntetizovať touto technológiou vrátane TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN a TiAlSiN .

To sa tiež používa do značnej miery najmä na ukladanie uhlíkových iónov na vytvorenie diamantových uhlíkových fólií. Vzhľadom na to, že ióny sú balisticky odrazené od povrchu , je bežné nielen jednotlivé atómy, ale väčšie zoskupenia atómov, ktoré sa majú vysunúť. Preto tento druh systému vyžaduje filter na odstránenie atómových zhlukov z nosníka pred nanesením. DLC film z filtrovaného oblúka obsahuje extrémne vysoké percento sp3 diamantu, ktorý je známy ako tetrahedral amorfný uhlík alebo ta-C .

Filtrovaný katódový oblúk môže byť použitý ako zdroj kovových iónov / plazmy na implantáciu iónov a implantáciu a depozíciu iónov plazmového ponorenia (PIII a D).