Katodisk bågeavsättning
Cathodic arc deposition eller Arc-PVD är en fysisk ångavsättningsteknik där en elektrisk ljusbåge används för att förånga material från ett katodmål . Det förångade materialet kondenserar sedan på ett substrat och bildar en tunn film . Tekniken kan användas för att avsätta metalliska , keramiska och kompositfilmer .
Historia
Industriell användning av modern katodbågsavsättningsteknik har sitt ursprung i Sovjetunionen omkring 1960–1970. I slutet av 70-talet släppte den sovjetiska regeringen användningen av denna teknik till väst. Bland många mönster i Sovjetunionen vid den tiden fick designen av LP Sablev, et al., användas utanför Sovjetunionen.
Bearbeta
Bågavdunstningen börjar med att en ljusbåge med hög ström och låg spänning slår mot ytan av en katod (känd som målet) som ger upphov till ett litet (vanligtvis några mikrometer brett), mycket energirikt emitterande område känt som en katod fläck. Den lokala temperaturen vid katodpunkten är extremt hög (cirka 15 000 °C), vilket resulterar i en höghastighetsstråle ( 10 km/s) av förångat katodmaterial som lämnar en krater kvar på katodytan. Katodfläcken är bara aktiv under en kort tidsperiod, sedan slocknar den själv och återantänds i ett nytt område nära den tidigare kratern. Detta beteende orsakar den skenbara rörelsen av bågen.
Eftersom bågen i grunden är en strömförande ledare kan den påverkas av appliceringen av ett elektromagnetiskt fält , vilket i praktiken används för att snabbt flytta bågen över hela ytan av målet, så att den totala ytan eroderas över tiden.
Bågen har en extremt hög effekttäthet vilket resulterar i en hög joniseringsnivå ( 30-100%), flera laddade joner , neutrala partiklar, kluster och makropartiklar (droppar). Om en reaktiv gas införs under förångningsprocessen dissociation , jonisering och excitation ske under interaktion med jonflödet och en sammansatt film kommer att avsättas.
En nackdel med bågförångningsprocessen är att om katodfläcken stannar vid en förångningspunkt för länge kan den skjuta ut en stor mängd makropartiklar eller droppar. Dessa droppar är skadliga för beläggningens prestanda eftersom de är dåligt vidhäftade och kan sträcka sig genom beläggningen. Ännu värre om katodmålmaterialet har en låg smältpunkt, såsom aluminium , kan katodfläcken avdunsta genom målet vilket resulterar i att antingen målstödplattans material förångas eller att kylvatten kommer in i kammaren. Därför används magnetfält som tidigare nämnts för att styra bågens rörelse. Om cylindriska katoder används kan katoderna även roteras under deponering. Genom att inte tillåta katodfläcken att förbli i ett läge kan aluminiummål användas för länge och antalet droppar minskas. Vissa företag använder också filtrerade bågar som använder magnetfält för att separera dropparna från beläggningsflödet.
Utrustningsdesign
En katodbågskälla av typ Sablev, som är den mest använda i väst, består av ett kort cylindriskt format, elektriskt ledande mål vid katoden med en öppen ände. Detta mål har en elektriskt flytande metallring som omger sig, som fungerar som en bågskyddsring (Strel'nitskij-sköld). Anoden för systemet kan vara antingen vakuumkammarväggen eller en diskret anod. Bågfläckar genereras av en mekanisk trigger (eller tändare) som slår mot den öppna änden av målet och gör en tillfällig kortslutning mellan katoden och anoden. Efter att bågfläckarna har genererats kan de styras av ett magnetfält eller röra sig slumpmässigt i frånvaro av magnetfält.
Plasmastrålen från en katodbågekälla innehåller några större kluster av atomer eller molekyler (så kallade makropartiklar), som hindrar den från att vara användbar för vissa tillämpningar utan någon form av filtrering . Det finns många konstruktioner för makropartikelfilter och den mest studerade konstruktionen är baserad på arbetet av II Aksenov et al. på 70-talet. Den består av en kvarttoruskanal böjd i 90 grader från ljusbågskällan och plasman leds ut ur kanalen enligt principen om plasmaoptik.
Det finns också andra intressanta konstruktioner, till exempel en design som innehåller ett rakt kanalfilter inbyggt med en stympad konformad katod som rapporterades av DA Karpov på 1990-talet. Denna design blev ganska populär bland både tunna hårdfilmsbeläggare och forskare i Ryssland och tidigare Sovjetunionen fram till nu. Katodiska bågkällor kan göras till en lång rörform (extended-arc) eller en lång rektangulär form, men båda designerna är mindre populära.
Ansökningar
Katodisk bågavsättning används aktivt för att syntetisera extremt hårda filmer för att skydda ytan på skärverktyg och förlänga deras livslängd avsevärt. Ett brett utbud av tunn hårdfilm, superhårda beläggningar och nanokompositbeläggningar kan syntetiseras med denna teknik inklusive TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN och TiAlSiN .
Detta används också ganska flitigt, särskilt för koljonavsättning för att skapa diamantliknande kolfilmer . Eftersom jonerna sprängs från ytan ballistiskt är det vanligt att inte bara enstaka atomer, utan större kluster av atomer stöts ut. Sålunda kräver denna typ av system ett filter för att avlägsna atomkluster från strålen före avsättning. DLC-filmen från en filtrerad båge innehåller en extremt hög andel sp 3 -diamant som är känt som tetraedriskt amorft kol eller ta-C .
Filtrerad katodbåge kan användas som metalljon-/plasmakälla för jonimplantation och jonimplantation och -deponering i plasma ( PIII&D).
Se även
- SVC "51st Annual Technical Conference Proceedings" (2008) Society of Vacuum Coaters, ISSN 0737-5921 (tidigare handlingar tillgängliga på CD från SVC Publications)
- A. Anders, "Cathodic Arcs: From Fractal Spots to Energetic Condensation" (2008) Springer, New York.
- RL Boxman, DM Sanders och PJ Martin (redaktörer) "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology" (1995) Noyes Publications, Park Ridge, NJ
- Brown, IG, Annu. Rev Mat. Sci. 28, 243 (1998).
- Sablev et al., US patent nr 3 783 231, 1 januari 1974
- Sablev et al., US patent nr 3 793 179, 19 februari 1974
- DA Karpov, "Katodiska ljusbågskällor och makropartikelfiltrering", Surface and Coatings technology 96 (1997) 22-23
- S. Surinphong, "Grundläggande kunskap om PVD-system och beläggningar för verktygsbeläggning" (1998), på thailändska
- AI Morozov, Reports of the Academy of Sciences of the USSR, 163 (1965) 1363, på ryska språket
- II Aksenov, VA Belous, VG Padalka, VM Khoroshikh, "Transport of plasma streams in a curvilinear plasma-optics system", 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