Katodisk bueutfelling - Cathodic arc deposition

Katodisk bueutfelling eller Arc-PVD er en fysisk dampavsetningsteknikk der en elektrisk bue brukes til å fordampe materiale fra et katodemål . Det fordampede materialet kondenserer deretter på et underlag og danner en tynn film . Teknikken kan brukes til å avsette metall- , keramikk- og komposittfilmer .

Historie

Industriell bruk av moderne katodisk lysbunnavsetningsteknologi stammer fra Sovjetunionen rundt 1960–1970. På slutten av 70-tallet frigjorde sovjetregjeringen bruken av denne teknologien til Vesten. Blant mange design i Sovjetunionen på den tiden fikk designet av LP Sablev , et al., Lov til å brukes utenfor Sovjetunionen.

Prosess

Buefordampningsprosessen begynner med treff av en høystrøm , lavspenningsbue på overflaten av en katode (kjent som målet) som gir opphav til et lite (vanligvis noen få mikrometer bredt), svært energisk emitterende område kjent som en katode få øye på. Den lokaliserte temperaturen på katodepunktet er ekstremt høy (rundt 15000 ° C), noe som resulterer i en høy hastighet (10 km / s) stråle av fordampet katodemateriale, og etterlater et krater på katodeoverflaten. Katodepunktet er bare aktivt i en kort periode, så slukker det og antennes på nytt i et nytt område nær det forrige krateret. Denne oppførselen forårsaker den tilsynelatende bevegelsen til buen.

Siden lysbuen i utgangspunktet er en strømførende leder, kan den påvirkes av anvendelsen av et elektromagnetisk felt , som i praksis brukes til raskt å flytte buen over hele overflaten av målet, slik at den totale overflaten eroderes over tid.

Buen har en ekstremt høy effekttetthet som resulterer i et høyt nivå av ionisering (30-100%), flere ladede ioner , nøytrale partikler, klynger og makropartikler (dråper). Hvis en reaktiv gass innføres under fordampningsprosessen, kan dissosiasjon , ionisering og eksitering oppstå under interaksjon med ionefluksen, og en sammensatt film vil bli avsatt.

En ulempe ved buefordampningsprosessen er at hvis katodepunktet holder seg på et fordampningspunkt for lenge, kan det skille ut en stor mengde makropartikler eller dråper. Disse dråpene er skadelige for ytelsen til belegget, da de er dårlig heftet og kan strekke seg gjennom belegget. Enda verre er det at hvis katodemålmaterialet har et lavt smeltepunkt, slik som aluminium, kan katodepunktet fordampe gjennom målet, noe som resulterer i at enten målplatematerialet blir fordampet eller kjølevann kommer inn i kammeret. Derfor brukes magnetfelt som nevnt tidligere for å kontrollere bevegelsen til buen. Hvis sylindriske katoder brukes, kan katodene også roteres under avsetning. Ved ikke å la katodepunktet forbli i en posisjon, kan for lange aluminiummål brukes og antall dråper reduseres. Noen selskaper bruker også filtrerte buer som bruker magnetiske felt for å skille dråpene fra belegningsstrømmen.

Utstyrsdesign

Sablev type katodisk lysbue kilde med magnet for å styre bevegelsen av lyspunktet

En katodisk buekilde av Sablev-typen, som er den mest brukte i Vesten, består av et kort sylindrisk formet, elektrisk ledende mål ved katoden med en åpen ende. Dette målet har en elektrisk flytende metallring som omgir den, og fungerer som en buebegrensningsring (Strel'nitskij-skjold). Anoden for systemet kan være enten vakuumkammerveggen eller en diskret anode. Bueflekker genereres av en mekanisk utløser (eller tenner) som slår mot den åpne enden av målet og skaper en midlertidig kortslutning mellom katoden og anoden. Etter at bueflekkene er generert, kan de styres av et magnetfelt, eller bevege seg tilfeldig uten magnetfelt.

Aksenov Quarter-torus duct macroparticle filter ved bruk av optiske plasmaprinsipper som ble utviklet av AI Morozov

Den plasma- stråle fra en katodisk Arc kilde inneholder noen større klynger av atomer eller molekyler (såkalt makropartikler), som hindrer den fra å være nyttig for noen anvendelser uten noen form for filtrering. Det er mange design for makropartikkelfiltre, og den mest studerte designen er basert på arbeidet til II Aksenov et al. på 70-tallet. Den består av en kvart toruskanal bøyd 90 grader fra buekilden, og plasmaet føres ut av kanalen etter prinsippet om plasmaoptikk.

Det er også andre interessante design, for eksempel et design som inkluderer et rett kanalfilter innebygd med en avkortet kegleformet katode som rapportert av DA Karpov på 1990-tallet. Dette designet ble ganske populært blant både tynne hardfilmcoatere og forskere i Russland og tidligere Sovjetunionen til nå. Katodiske buekilder kan gjøres til en lang rørform (forlenget lysbue) eller en lang rektangulær form, men begge designene er mindre populære.

applikasjoner

Titan-nitrid (TiN) -belagte slag ved hjelp av katodisk lysbunnavsetningsteknikk
Aluminium Titanium Nitride (AlTiN) belagte endemøller ved hjelp av katodisk lysbunnavsetningsteknikk
Aluminium Chromium Titanium Nitride (AlCrTiN) belagt kokeplate ved hjelp av katodisk lysbunnavsetningsteknikk

Katodisk bueutfelling brukes aktivt til å syntetisere ekstremt harde filmer for å beskytte overflaten på skjæreverktøy og forlenge levetiden betydelig. Et bredt utvalg av tynne hardfilm- , Superhard- belegg og nanokomposittbelegg kan syntetiseres ved hjelp av denne teknologien, inkludert TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN og TiAlSiN .

Dette brukes også ganske mye, spesielt for karbonionavsetning for å lage diamantlignende karbonfilmer . Fordi ionene sprenges ballistisk fra overflaten , er det vanlig at ikke bare enkeltatomer, men større klynger av atomer blir kastet ut. Dermed krever denne typen system et filter for å fjerne atomklynger fra strålen før avsetning. DLC-filmen fra en filtrert lysbue inneholder en meget høy andel av sp 3 diamant som er kjent som tetraedriske amorft karbon , eller ta-C .

Filtrert Katodisk lysbue kan brukes som metallion / plasmakilde for ioneimplantering og plasma Immersion ioneimplantering og Deposition (PIII & D).

Se også

Referanser

  • SVC "51st Annual Technical Conference Proceedings" (2008) Society of Vacuum Coaters, ISSN 0737-5921 (tidligere prosedyrer tilgjengelig på CD fra SVC Publications)
  • A. Anders, "Cathodic Arcs: From Fractal Spots to Energetic Condensation" (2008) Springer, New York.
  • RL Boxman, DM Sanders og PJ Martin (redaktører) "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology" (1995) Noyes Publications, Park Ridge, NJ
  • Brown, IG, Annu. Pastor Mat. Sci. 28, 243 (1998).
  • Sablev et al., US patent nr. 3 783 231, 1. januar 1974
  • Sablev et al., US patent nr. 3 793 179, 19. februar 1974
  • DA Karpov, "Cathodic arc sources and macroparticle filtering", Surface and Coatings technology 96 (1997) 22-23
  • S. Surinphong, "Basic Knowledge about PVD Systems and Coatings for Tools Coating" (1998), på thai
  • AI Morozov, rapporter fra USSRs vitenskapsakademi, 163 (1965) 1363, på russisk språk
  • 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