Полагане на катодна дъга

Потокът с катодна дъга или Arc-PVD е техника на физично отлагане на пари , при която се използва електрическа дъга за изпаряване на материал от катоден обект. Изпареният материал след това кондензира върху субстрат, образувайки тънък филм . Техниката може да се използва за нанасяне на метални , керамични и композитни филми.

процес

Процесът на изпаряване на дъгата започва с удара на висока токова дъга с ниско напрежение върху повърхността на катод (известен като целта), която води до малка (обикновено няколко микрометра широка), силно енергийно излъчваща площ, известна като катод петно. Локализираната температура в катодното петно ​​е изключително висока (около 15000 ° C), което води до струя с висока скорост (10 km / s) от изпарения катоден материал, оставяйки кратер зад повърхността на катода. Катодното петно ​​е активно само за кратък период от време, след което се самозагасява и се възпламенява в нова област в близост до предишния кратер. Това поведение предизвиква очевидното движение на дъгата.

Тъй като дъгата е основно проводник на ток, той може да бъде повлиян от приложението на електромагнитно поле , което на практика се използва за бързо преместване на дъгата върху цялата повърхност на целта, така че общата повърхност се ерозира във времето.

Дъгата има изключително висока плътност на мощността, което води до висока степен на йонизация (30-100%), множество заредени йони , неутрални частици, клъстери и макро-частици (капчици). Ако по време на процеса на изпаряване се въведе реактивен газ, по време на взаимодействие с йонния поток може да възникне дисоциация , йонизация и възбуждане и ще бъде депозиран синтетичен филм.

Един недостатък на процеса на изпаряване на дъгата е, че ако катодното петно ​​остане в изпарителна точка твърде дълго, то може да изхвърли голямо количество макро-частици или капчици. Тези капчици са вредни за ефективността на покритието, тъй като са слабо залепени и могат да се простират през покритието. Още по-лошо, ако катодният целеви материал има ниска точка на топене, например алуминий, катодният петна може да се изпари през целта, което води до изпаряване или навлизането на охлаждащата вода в камерата. Следователно, магнитните полета, както е споменато по-горе, се използват за управление на движението на дъгата. Ако се използват цилиндрични катоди, катодите могат да се въртят по време на отлагането. Като не позволяваме на катодното петно ​​да остане в едно положение, може да се използват прекалено дълги алуминиеви цели и броят на капките се намалява. Някои компании също използват филтрирани дъги, които използват магнитни полета, за да отделят капките от потока на покритието.

Проектиране на оборудване

Източникът на кадмийската дъга тип Sablev, който е най-широко използван на запад, се състои от къса цилиндрична електрическа проводима цел при катод с един отворен край. Тази цел има електрически плаващ метален пръстен, заобиколен като работещ като пръстен за ограничаване на дъгата (щит Strel'nitskij). Анодът за системата може да бъде или стената на вакуумната камера, или отделен анод. Arc точките се генерират от механичен спусък (или запалване), удрящ върху отворения край на целта, което прави временно късо съединение между катода и анода. След като генерираните дъги се генерират, те могат да бъдат управлявани от магнитно поле или да се движат случайно в отсъствие на магнитно поле.

Плазменият лъч от източника на Катодния дъга съдържа някои по-големи клъстери от атоми или молекули (т.нар. Макро-частици), които му пречат да бъде полезен за някои приложения без някакво филтриране. Има много проекти за филтри за макро-частици, а най-изследваният дизайн се основава на работата на II Aksenov et al. през 70-те. Състои се от четириъгълен канал, извит на 90 градуса от източника на дъгата, и плазмата се извежда извън канала по принцип на плазмената оптика.

Съществуват и други интересни проекти като дизайн, който включва директен канален филтър, вграден в скъсен конусообразен катод, както е съобщено от DA Karpov през 90-те. Този дизайн стана доста популярен сред тънките твърдофилми и изследователи в Русия и бивши страни от СССР досега. Източникът на катодна дъга може да бъде направен в дълга тръбна форма (удължена дъга) или дълга правоъгълна форма, но и двата модела са по-малко популярни.

Приложения

Нанасянето на катодна дъга се използва активно за синтезиране на изключително твърди филми, за да се защити повърхността на режещите инструменти и значително да се удължи живота им. Голямо разнообразие от тънки твърди филми, Superhard покрития и нанокомпозитни покрития могат да бъдат синтезирани чрез тази технология, включително TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN и TiAlSiN .

Това се използва доста широко, особено за отлагане на въглеродни йони, за да се създадат диамантени въглеродни филми. Тъй като йоните се взривяват балистично от повърхността , това е често срещано не само за отделни атоми, но и за по-големи клъстери от атоми. По този начин, този вид система изисква филтър за отстраняване на атомните клъстери от гредата преди отлагането. Филмът DLC от филтрирана дъга съдържа изключително висок процент на sp3 диамант, който е известен като tetrahedral аморфен въглерод или ta-C .

Филтрираната катодна дъга може да се използва като източник на метален йон / плазма за имплантиране на йони и имплантиране и депониране на йони на плазма (PIII & D).