Катодно-дуговое осаждение

Катодно-дуговое осаждение или Arc-PVD — это метод физического осаждения из паровой фазы , при котором электрическая дуга используется для испарения материала из катодной мишени. Испаренный материал затем конденсируется на подложке, образуя тонкую пленку . Этот метод можно использовать для нанесения металлических , керамических и композитных пленок.

История

Промышленное использование современной технологии катодно-дугового осаждения зародилось в Советском Союзе примерно в 1960–1970 годах. К концу 1970-х годов советское правительство разрешило использование этой технологии Западу. Среди многих разработок СССР того времени разработка Л. П. Саблева и др. была допущена к использованию за пределами СССР.

Процесс

Процесс испарения дуги начинается с зажигания сильноточной и низковольтной дуги на поверхности катода ( известной как мишень), в результате чего образуется небольшая (обычно шириной несколько микрометров ) высокоэнергетическая излучающая область, известная как катод. место. Локальная температура в катодном пятне чрезвычайно высока (около 15000 °C), что приводит к образованию высокоскоростной ( 10 км/с) струи испаренного катодного материала, оставляющей кратер на поверхности катода. Катодное пятно активно лишь короткий период времени, затем самозатухает и вновь загорается на новом участке вблизи предыдущего кратера. Такое поведение вызывает кажущееся движение дуги.

Поскольку дуга по сути 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 подвергается эрозии.

Дуга имеет чрезвычайно высокую плотность мощности, что приводит к высокому уровню ионизации (30-100%), образованию многозарядных ионов , нейтральных частиц, кластеров и макрочастиц (капель). Если в процессе испарения вводится химически активный газ, может произойти диссоциация , ионизация и возбуждение во время взаимодействия с потоком ионов , и будет осаждаться составная пленка.

Недостатком процесса дугового испарения является то, что если катодное пятно остается в точке испарения слишком долго, оно может выбросить большое количество макрочастиц или капель. Эти капли вредны для характеристик покрытия, поскольку они плохо прилипают и могут проникать сквозь покрытие. Еще хуже, если материал катодной мишени имеет низкую температуру плавления, например, алюминий, катодное пятно может испаряться через мишень, что приводит либо к испарению материала подложки 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 можно вращать во время осаждения. Не позволяя катодному пятну оставаться в одном положении слишком долго, можно использовать алюминиевые мишени и уменьшить количество капель. Некоторые компании также используют дуги с фильтрами, которые используют магнитные поля для отделения капель от флюса покрытия.

Проектирование оборудования

Катодно-дуговой источник типа Саблев, наиболее широко используемый на Западе, состоит из короткой электропроводящей мишени цилиндрической формы на катоде с одним открытым концом. Эта мишень окружена электрически плавающим металлическим кольцом, работающим как кольцо ограничения дуги (щит Стрельницкого). Анодом системы может быть либо стенка вакуумной камеры, либо дискретный анод. Пятна дуги генерируются механическим триггером (или воспламенителем), ударяющим по открытому концу мишени, создавая временное короткое замыкание между катодом и анодом. После образования дуговых пятен они могут управляться магнитным полем или перемещаться случайным образом в отсутствие магнитного поля.

Аксеновский четвертьтораканальный фильтр макрочастиц на принципах плазменной оптики, разработанный А.И. Морозовым.

Плазменный . луч от источника катодной дуги содержит несколько более крупных кластеров атомов или молекул (так называемых макрочастиц), что не позволяет использовать его для некоторых применений без какой-либо фильтрации Существует множество конструкций фильтров макрочастиц, наиболее изученная конструкция основана на работах И.И. Аксенова и др. в 70-е годы. Он состоит из четвертьтора канала, изогнутого под углом 90 градусов от источника дуги, и плазма выводится из канала по принципу плазменной оптики.

Существуют и другие интересные конструкции, например, конструкция со встроенным канальным фильтром с катодом в форме усеченного конуса, о которой сообщил Д.А. Карпов в 1990-х годах. Эта конструкция до сих пор стала довольно популярной как среди производителей тонких твердых пленок, так и среди исследователей в России и странах бывшего СССР. Катодно-дуговые источники могут иметь длинную трубчатую форму (вытянутая дуга) или длинную прямоугольную форму, но обе конструкции менее популярны.

Приложения

Катодно-дуговое осаждение активно используется для синтеза чрезвычайно твердых пленок для защиты поверхности режущих инструментов и значительного продления их срока службы. широкий спектр тонких твердых пленок, сверхтвердых покрытий и нанокомпозитных С помощью этой технологии можно синтезировать 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 , обычно выбрасываются не только отдельные атомы, но и более крупные кластеры атомов. Таким образом, система такого типа требует наличия фильтра для удаления кластеров атомов из пучка перед осаждением. DLC-пленка, полученная при фильтрованной дуге, содержит чрезвычайно высокий процент sp. ³ алмаз, который известен как тетраэдрический аморфный углерод , или та-С .

Катодная дуга с фильтром может использоваться в качестве источника ионов/плазмы металлов для ионной имплантации , а также плазменной иммерсионной ионной имплантации и осаждения (PIII&D).

См. также

Ссылки

SVC «Материалы 51-й ежегодной технической конференции» (2008 г.) Общества специалистов по вакуумному нанесению покрытий, ISSN 0737-5921 (предыдущие материалы доступны на компакт-диске в SVC Publications)
А. Андерс, «Катодные дуги: от фрактальных пятен к энергетической конденсации» (2008), Спрингер, Нью-Йорк.
Р. Л. Боксман, Д. М. Сандерс и П. Дж. Мартин (редакторы) «Справочник по науке и технологиям вакуумной дуги» (1995), Noyes Publications, Парк-Ридж, Нью-Джерси.
Браун, И.Г., Анну. Преподобный Мат. наук. 28, 243 (1998).
Саблев и др., Патент США № 3783231, 1 января 1974 г.
Саблев и др., Патент США № 3793179, 19 февраля 1974 г.
Д.А. Карпов, "Катододуговые источники и фильтрация макрочастиц", Технология поверхности и покрытий 96 (1997) 22-23.
С. Суринфонг, «Базовые знания о системах PVD и покрытиях для инструментов» (1998), на тайском языке.
А. И. Морозов, 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 плазмооптической системе", 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