Катодное дуговое осаждение или Arc-PVD - это метод физического осаждения из паровой фазы , в котором электрическая дуга используется для испарения материала с катодной мишени. Затем испаренный материал конденсируется на подложке, образуя тонкую пленку . Метод может быть использован для нанесения металлических , керамических и композитных пленок.
История
Промышленное использование современной технологии катодно-дугового напыления зародилось в Советском Союзе примерно в 1960–1970 годах. К концу 70-х годов советское правительство разрешило использование этой технологии на Западе. Среди многих разработок в СССР в то время конструкцию Л.П. Саблева и др. Было разрешено использовать за пределами СССР.
Процесс
Процесс испарения дуги начинается с зажигания сильноточной дуги низкого напряжения на поверхности катода (известной как мишень), что приводит к образованию небольшой (обычно шириной несколько микрометров ) высокоэнергетической излучающей области, известной как катод. место. Локализованная температура в катодном пятне чрезвычайно высока (около 15000 ° C), что приводит к высокоскоростной (10 км / с) струе испаренного материала катода, оставляющей кратер на поверхности катода. Катодное пятно активно только в течение короткого периода времени, затем оно самозатухает и снова воспламеняется в новом месте рядом с предыдущим кратером. Такое поведение вызывает видимое движение дуги.
Поскольку дуга в основном является проводником с током, на нее может влиять приложение электромагнитного поля , которое на практике используется для быстрого перемещения дуги по всей поверхности мишени, так что вся поверхность со временем разрушается.
Дуга имеет чрезвычайно высокую плотность мощности, что приводит к высокому уровню ионизации (30-100%), многозарядным ионам , нейтральным частицам, кластерам и макрочастицам (каплям). Если химически активный газ вводится во время процесса испарения, во время взаимодействия с потоком ионов могут происходить диссоциация , ионизация и возбуждение, и будет осаждаться составная пленка.
Одним из недостатков процесса испарения дуги является то, что если катодное пятно слишком долго остается в точке испарения, оно может выбрасывать большое количество макрочастиц или капель. Эти капли ухудшают характеристики покрытия, поскольку они плохо прилипают и могут распространяться через покрытие. Еще хуже, если материал катодной мишени имеет низкую температуру плавления, такой как алюминий, катодное пятно может испаряться через мишень, что приводит либо к испарению материала опорной пластины мишени, либо к попаданию охлаждающей воды в камеру. Следовательно, 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, можно использовать слишком длинные алюминиевые мишени и уменьшить количество капель. Некоторые компании также используют фильтрованные дуги, которые используют магнитные поля для отделения капель от потока покрытия.
Дизайн оборудования
Источник катодной дуги типа Саблева, который наиболее широко используется на Западе, состоит из короткой цилиндрической электропроводящей мишени на катоде с одним открытым концом. Эту мишень окружает электрически плавающее металлическое кольцо, работающее как кольцо ограничения дуги (щит Стрельницкого). Анодом для системы может быть стенка вакуумной камеры или дискретный анод. Пятна дуги образуются при попадании механического триггера (или воспламенителя) на открытый конец мишени, вызывающего временное короткое замыкание между катодом и анодом. После образования дуговых пятен они могут управляться магнитным полем или беспорядочно перемещаться в отсутствие магнитного поля.
Плазменный луч от источника катодно - дугового содержат некоторые крупные кластеры атомов или молекул (так называемые макро-частиц), которые мешают ей быть полезным для некоторых приложений без какого - либо фильтрации. Существует множество конструкций фильтров для макрочастиц, и наиболее изученная конструкция основана на работе И.И. Аксенова и др. в 70-х гг. Он состоит из канала на четверть тора, изогнутого под углом 90 градусов от источника дуги, и плазма выводится из канала по принципу плазменной оптики.
Есть и другие интересные конструкции, например, конструкция, включающая встроенный фильтр с прямым каналом и катодом в форме усеченного конуса, как сообщил Д.А. Карпов в 1990-х годах. Эта конструкция до сих пор пользовалась большой популярностью как среди специалистов по нанесению покрытий на тонкие твердые пленки, так и среди исследователей в России и странах бывшего СССР. Источники катодной дуги могут иметь форму длинной трубки (удлиненная дуга) или длинной прямоугольной формы, но обе конструкции менее популярны.
Приложения
Катодно-дуговое напыление активно используется для синтеза чрезвычайно твердых пленок для защиты поверхности режущих инструментов и значительного продления их срока службы. С помощью этой технологии можно синтезировать широкий спектр тонких твердых пленок, сверхтвердых покрытий и нанокомпозитных покрытий, включая TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN и TiAlSiN .
Это также довольно широко используется, особенно для осаждения ионов углерода для создания алмазоподобных углеродных пленок. Поскольку ионы выбрасываются с поверхности баллистически , выбрасываются не только отдельные атомы, но и более крупные кластеры атомов. Таким образом, такая система требует фильтра для удаления кластеров атомов из пучка перед осаждением. Пленка DLC от фильтрованной дуги содержит чрезвычайно высокий процент алмаза sp 3, который известен как тетраэдрический аморфный углерод или та-С .
Катодная дуга с фильтром может использоваться в качестве источника ионов металлов / плазмы для ионной имплантации, а также ионной имплантации с плазменным погружением и осаждения (PIII и D).
Смотрите также
Рекомендации
- SVC "Труды 51-й ежегодной технической конференции" (2008), Общество производителей вакуумных покрытий, ISSN 0737-5921 (предыдущие материалы доступны на компакт-диске в издании SVC Publications)
- А. Андерс, "Катодные дуги: от фрактальных пятен до энергетической конденсации" (2008), Спрингер, Нью-Йорк.
- Р.Л. Боксман, Д.М. Сандерс и П.Дж. Мартин (редакторы) "Справочник по науке и технологии вакуумной дуги" (1995), Noyes Publications, Park Ridge, NJ
- Браун, И. Г., Анну. Преподобный Мат. Sci. 28, 243 (1998).
- Sablev et al., Патент США № 3,783,231, 01 января 1974 г.
- Sablev et al., Патент США № 3793179, 19 февраля 1974 г.
- Д.А. Карпов, "Источники катодной дуги и фильтрация макрочастиц", Технология поверхностей и покрытий 96 (1997) 22-23.
- С. Суринфонг, "Базовые знания о PVD-системах и покрытиях для покрытия инструментов" (1998 г.), на тайском языке
- Морозов А.И., Доклады АН СССР, 163 (1965) 1363, на русском языке
- И.И. Аксенов, В.А. Белоус, В.Г. Падалка, В.М. Хороших, "Транспорт плазменных потоков в криволинейной плазменно-оптической системе", Советский журнал физики плазмы, 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