Deposición del arco catódico

- Dec 26, 2017-

La deposición de arco catódico o Arc-PVD es una técnica física de deposición de vapor en la que se usa un arco eléctrico para vaporizar material de un objetivo de cátodo . El material vaporizado luego se condensa sobre un sustrato, formando una película delgada . La técnica se puede usar para depositar películas metálicas , cerámicas y compuestas .


Proceso

El proceso de evaporación del arco comienza con el golpe de un arco de alta corriente y bajo voltaje en la superficie de un cátodo (conocido como el objetivo) que da lugar a un área emisora pequeña (generalmente de unos micrometres de ancho) conocida como cátodo lugar. La temperatura localizada en el punto del cátodo es extremadamente alta (alrededor de 15000 ° C), lo que da como resultado un chorro de alta velocidad (10 km / s) de material de cátodo vaporizado, dejando un cráter detrás en la superficie del cátodo. La mancha del cátodo solo está activa durante un corto período de tiempo, luego se autoextingue y vuelve a encenderse en una nueva área cercana al cráter anterior. Este comportamiento causa el movimiento aparente del arco.

Como el arco es básicamente un conductor portador de corriente, puede ser influenciado por la aplicación de un campo electromagnético , que en la práctica se usa para mover rápidamente el arco sobre toda la superficie del objetivo, de modo que la superficie total se erosione con el tiempo.

El arco tiene una densidad de potencia extremadamente alta que da como resultado un alto nivel de ionización (30-100%), iones cargados múltiples , partículas neutras, racimos y macropartículas (gotitas). Si se introduce un gas reactivo durante el proceso de evaporación, puede producirse disociación , ionización y excitación durante la interacción con el flujo de iones y se depositará una película compuesta.

Una desventaja del proceso de evaporación del arco es que si la mancha del cátodo permanece en un punto de evaporación por mucho tiempo, puede expulsar una gran cantidad de macropartículas o gotitas. Estas gotitas son perjudiciales para el rendimiento del recubrimiento ya que están mal adheridas y pueden extenderse a través del recubrimiento. Peor aún, si el material objetivo del cátodo tiene un punto de fusión bajo, tal como aluminio, la mancha del cátodo puede evaporarse a través del objetivo, dando como resultado que el material de la placa soporte se evapore o que el agua de refrigeración entre en la cámara. Por lo tanto, los campos magnéticos como se mencionó anteriormente se utilizan para controlar el movimiento del arco. Si se usan cátodos cilíndricos, los cátodos también se pueden rotar durante la deposición. Al no permitir que la mancha del cátodo permanezca en una posición demasiado larga, se pueden usar objetivos de aluminio y se reduce el número de gotas. Algunas compañías también usan arcos filtrados que usan campos magnéticos para separar las gotas del flujo de recubrimiento.


Diseño de equipo

La fuente de arco catódico de tipo Sablev, que es la más utilizada en Occidente, consiste en un objetivo conductor eléctrico de forma cilíndrica corta en el cátodo con un extremo abierto. Este objetivo tiene un anillo de metal eléctricamente flotante rodeado que funciona como un anillo de confinamiento de arco (escudo Strel'nitskij). El ánodo del sistema puede ser la pared de la cámara de vacío o un ánodo discreto. Los puntos de arco son generados por un disparo mecánico (o encendedor) que golpea en el extremo abierto del objetivo, produciendo un cortocircuito temporal entre el cátodo y el ánodo. Después de que se generan los puntos de arco, pueden dirigirse por el campo magnético o moverse aleatoriamente en ausencia de campo magnético.

El haz de plasma de la fuente de Catódica Arco contiene algunos grupos más grandes de átomos o moléculas (las llamadas macropartículas), que evitan que sea útil para algunas aplicaciones sin algún tipo de filtrado. Hay muchos diseños para filtros de macropartículas y el diseño más estudiado se basa en el trabajo de II Aksenov et al. en los 70 Consiste en un conducto de cuarto de toro doblado a 90 grados de la fuente del arco y el plasma es guiado fuera del conducto por el principio de la óptica del plasma.

También hay otros diseños interesantes, como un diseño que incorpora un filtro de conducto recto integrado con cátodo en forma de cono truncado según lo informado por DA Karpov en los años 90. Este diseño se hizo bastante popular entre los recubridores de capa fina y los investigadores en Rusia y en los antiguos países de la URSS hasta ahora. La fuente de arco catódico se puede convertir en la forma tubular larga (arco extenso) o la forma rectangular larga, pero ambos diseños son menos populares.


Aplicaciones

La deposición de arco catódico se usa activamente para sintetizar películas extremadamente duras para proteger la superficie de las herramientas de corte y extender su vida significativamente. Se puede sintetizar una amplia variedad de recubrimientos superduros de capa dura fina y recubrimientos de nanocompuestos mediante esta tecnología que incluye TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN y TiAlSiN .

Esto también se usa bastante extensamente particularmente para la deposición de iones de carbono para crear películas de carbono similares a diamantes . Debido a que los iones son expulsados ​​de la superficie de manera balística , es común que no solo se eyecten átomos individuales, sino también grandes grupos de átomos. Por lo tanto, este tipo de sistema requiere un filtro para eliminar los clústeres de átomos del haz antes de la deposición. La película de DLC del arco filtrado contiene un porcentaje extremadamente alto de diamante sp3 que se conoce como carbono amorfo tetraédrico , o ta-C .

El arco catódico filtrado se puede utilizar como fuente de ion / plasma metálico para la implantación de iones y la implantación y deposición de Iones de inmersión en plasma (PIII y D).