Kathodische boogdepositie

Kathodische boogafzetting of Arc-PVD is een fysische dampafzettingstechniek waarbij een elektrische boog wordt gebruikt om materiaal van een kathodedoel te verdampen . Het verdampte materiaal condenseert vervolgens op een substraat en vormt een dunne film . De techniek kan worden gebruikt voor het afzetten van metalen , keramische en composiet films.

Werkwijze

Het boogverdampingsproces begint met het slaan van een hoge stroom , lage spanning boog op het oppervlak van een kathode (bekend als het doelwit) die aanleiding geeft tot een klein (meestal een paar micrometer breed), hoog energetisch emitterend gebied dat bekend staat als een kathode plek. De gelokaliseerde temperatuur op de kathodevlek is extreem hoog (ongeveer 15000 ° C), wat resulteert in een hoge snelheid (10 km / s) straal verdampte kathodematerialen, waardoor een krater achterblijft op het kathodeoppervlak. De kathodevlek is slechts gedurende korte tijd actief, dan dooft hij zichzelf uit en ontbrandt opnieuw in een nieuw gebied dichtbij de vorige krater. Dit gedrag veroorzaakt de schijnbare beweging van de boog.

Aangezien de boog in feite een stroomvoerende geleider is, kan deze worden beïnvloed door de toepassing van een elektromagnetisch veld , dat in de praktijk wordt gebruikt om de boog snel over het gehele oppervlak van het doel te bewegen, zodat het totale oppervlak in de loop van de tijd wordt geërodeerd.

De boog heeft een extreem hoge vermogensdichtheid, wat resulteert in een hoge mate van ionisatie (30-100%), meerdere geladen ionen , neutrale deeltjes, clusters en macrodeeltjes (druppeltjes). Als een reactief gas wordt ingebracht tijdens het verdampingsproces, kunnen dissociatie , ionisatie en excitatie optreden tijdens interactie met de ionenstroom en een samengestelde film worden afgezet.

Een nadeel van het boogverdampingsproces is dat als de kathodevlek te lang op een verdampingspunt blijft, deze een grote hoeveelheid macrodeeltjes of druppeltjes kan uitwerpen. Deze druppeltjes zijn schadelijk voor de prestatie van de coating, omdat ze slecht zijn gehecht en zich door de coating kunnen uitstrekken. Erger nog, als het kathodetrefplaatmateriaal een laag smeltpunt heeft, zoals aluminium, kan de kathodevlek door het doelwit verdampen, hetgeen tot gevolg heeft dat hetzij het doelwit steunplaatmateriaal wordt verdampt of koelwater de kamer binnentreedt. Daarom worden magnetische velden zoals eerder genoemd gebruikt om de beweging van de boog te regelen. Als cilindrische kathodes worden gebruikt, kunnen de kathodes ook tijdens het afzetten worden geroteerd. Door de kathodevlek niet in een positie te laten blijven, kunnen te lange aluminium doelen worden gebruikt en het aantal druppeltjes worden verminderd. Sommige bedrijven gebruiken ook gefilterde bogen die magnetische velden gebruiken om de druppels van de coatingflux te scheiden.

Apparatuur ontwerp

Sablev-type kathodische boogbron, die in het Westen het meest wordt gebruikt, bestaat uit een elektrisch geleidend doel met korte cilindrische vorm aan de kathode met één open einde. Dit doelwit heeft een elektrisch zwevende metalen ring die omringd is en werkt als een boogsluiting (Strel'nitskij-schild). De anode voor het systeem kan de vacuümkamerwand zijn of een discrete anode. Boogvlekken worden gegenereerd door een mechanische trigger (of ontsteker) die op het open uiteinde van het doel valt en een tijdelijke kortsluiting tussen de kathode en de anode veroorzaakt. Nadat de boogvlekken zijn gegenereerd, kunnen deze worden gestuurd door een magnetisch veld of willekeurig worden verplaatst in afwezigheid van een magnetisch veld.

De plasmabundel van de bron van de kathodische vlamboog bevat enkele grotere clusters van atomen of moleculen (de zogenaamde macrodeeltjes), die voorkomen dat het voor sommige toepassingen nuttig is zonder enige vorm van filteren. Er zijn veel ontwerpen voor macro-deeltjesfilters en het meest bestudeerde ontwerp is gebaseerd op het werk van II Aksenov et al. in de jaren 70. Het bestaat uit een kwart-toruskanaal gebogen op 90 graden van de boogbron en het plasma wordt uit het kanaal geleid door het principe van plasmacomlectie.

Er zijn ook andere interessante ontwerpen zoals een ontwerp dat een ingebouwd recht kanaalfilter met afgeknotte kegelvormige kathode bevat, zoals gerapporteerd door DA Karpov in de jaren 90. Dit ontwerp werd tot nu toe behoorlijk populair bij zowel de dunne filmers van harde film als onderzoekers in Rusland en voormalige USSR-landen. De kathodische boogbron kan worden gemaakt in de lange buisvorm (verlengde boog) of lange rechthoekige vorm, maar beide ontwerpen zijn minder populair.

toepassingen

Kathodische boogafzetting wordt actief gebruikt om extreem harde film te synthetiseren om het oppervlak van snijgereedschappen te beschermen en hun levensduur aanzienlijk te verlengen. Een breed scala aan dunne harde film, Superhard coatings en nanocomposiet coatings kunnen worden gesynthetiseerd door deze technologie, waaronder TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN en TiAlSiN .

Dit wordt ook behoorlijk uitgebreid gebruikt, in het bijzonder voor koolstofionafzetting om diamantachtige koolstoffilms te creëren . Omdat de ionen van het oppervlak ballistisch worden afgestraald , is het gebruikelijk dat niet alleen enkele atomen, maar ook grotere clusters van atomen worden uitgeworpen. Dit type systeem vereist dus een filter om atoomclusters uit de balk te verwijderen vóór de depositie. De DLC-film van gefilterde boog bevat een extreem hoog percentage sp3-diamant dat bekend staat als tetraëdrische amorfe koolstof of ta-C .

Gefilterde kathodische boog kan worden gebruikt als metaalion / plasmabron voor ionimplantatie en plasma-immersie-ionenimplantatie en -afzetting (PIII & D).