Введение

Тип физической техники осаждения пара Катодическое осаждение дуги или Arc PVD - это физическая техника осаждения пара, в которой электрическая дуга используется для испарения материала из катодной мишени. Затем испаренный материал конденсируется на подложке, образуя тонкую пленку. Этот метод может использоваться для осаждения металлических, керамических и композитных пленок.

История

Промышленное использование современной технологии осаждения катодной дуги возникло в Советском Союзе примерно в 1960-1970 годах. К концу 70-х годов советское правительство распространило эту технологию на Запад. Среди многих конструкций в СССР в то время дизайн Л. П. Саблева и др. был разрешен для использования за пределами СССР.

Процесс

Процесс испарения дуги начинается с удара дуги высокого тока и низкого напряжения по поверхности катода (известного как цель), что приводит к возникновению небольшой (обычно шириной несколько микрометров) высокоэнергетической области излучения, известной как катодное пятно. Локальная температура в месте катода чрезвычайно высока (около 15000 °C), что приводит к высокой скорости (10 км/с) струи испаренного материала катода, оставляя кратер на поверхности катода. Катодное пятно активно лишь в течение короткого периода времени, затем оно самотушится и воспламенится в новой области, близкой к предыдущему кратеру. Такое поведение вызывает видимое движение дуги. Поскольку дуга в основном является проводником, несущим ток, на нее может влиять применение электромагнитного поля, которое на практике используется для быстрого перемещения дуги по всей поверхности цели, так что общая поверхность со временем разрушается. В дуге очень высокая плотность мощности, в результате чего получается высокий уровень ионизации (30 100%), множественные заряженные ионы, нейтральные частицы, кластеры и макрочастицы (капли). Если в процессе испарения вводится реактивный газ, то при взаимодействии с ионным потоком может произойти диссоциация, ионизация и возбуждение, и образоваться сложная пленка. Одним из недостатков процесса дуговой испарения является то, что если катодное пятно остается в испарительной точке слишком долго, оно может выбросить большое количество макрочастиц или капель. Эти капли вредят эффективности покрытия, поскольку они плохо прикрепляются и могут проникать через покрытие. Хуже того, если материал-мишень катода имеет низкую температуру плавления, например, алюминий, то пятно катода может испаряться через объект, в результате чего либо материал пластинки опоры объекта испаряется, либо охлаждающая вода попадает в камеру. Поэтому для управления движением дуги используются магнитные поля, как упоминалось ранее. Если используются цилиндрические катоды, то они могут также вращаться во время осаждения. Не позволяя катодному пятну оставаться в одном положении, можно использовать слишком длинные алюминиевые цели, и количество капель уменьшается. Некоторые компании также используют фильтрованные дуги, которые используют магнитные поля для отделения капель от потока покрытия.

Конструкция оборудования

Источник катодной дуги типа Саблева, который наиболее широко используется на Западе, состоит из короткой цилиндрической формы, электрически проводящей цели на катоде с одним открытым концом. Эта цель имеет электрически плавающее металлическое кольцо, окружающее его, работающее как кольцо ограничения дуги (стралницкий щит). Анодом для системы может быть либо стена вакуумной камеры, либо дискретный анод. Пятна дуги генерируются механическим триггером (или зажигателем), поражающим открытый конец цели, создавая временное короткое замыкание между катодом и анодом. После того, как пятна дуги сгенерированы, они могут управляться магнитным полем или перемещаться случайным образом в отсутствие магнитного поля. Луч плазмы из источника катодной дуги содержит несколько больших кластеров атомов или молекул (так называемые макрочастицы), которые не позволяют ему быть полезным для некоторых приложений без какого-либо фильтра. Существует много конструкций фильтров макрочастиц, и наиболее изученная конструкция основана на работе И. И. Аксенова и др. в 70-х. Он состоит из четверти торса, согнутого на 90 градусов от источника дуги, и плазма выводится из канала по принципу плазменной оптики. Существуют также другие интересные конструкции, такие как конструкция, которая включает в себя прямодуковый фильтр, встроенный с укороченным конусообразным катодом, о котором сообщил Д. А. Карпов в 1990-х годах. Этот дизайн стал довольно популярным как среди тонкопленочных покрытий, так и среди исследователей в России и странах бывшего СССР до сих пор. Источники катодной дуги могут быть сделаны в длинную трубчатую форму (расширенная дуга) или длинную прямоугольную форму, но оба варианта менее популярны.

Приложения

Катодное осаждение активно используется для синтеза чрезвычайно жестких пленок для защиты поверхности режущих инструментов и значительного продления их срока службы. Широкий спектр тонких твердых пленок, супержестких покрытий и нанокомпозитных покрытий может быть синтезирован этой технологией, включая TiN, TiAlN, CrN, ZrN, AlCrTiN и TiAlSiN. Это также широко используется, особенно для осаждения ионов углерода для создания алмазных углеродных пленок. Поскольку ионы взрываются с поверхности баллистически, часто выбрасываются не только отдельные атомы, но и большие скопления атомов. Таким образом, для такого типа системы требуется фильтр, чтобы удалить атомные кластеры из луча до осаждения. Пленка DLC от фильтрованной дуги содержит чрезвычайно высокий процент sp3 алмаза, который известен как тетраэдрический аморфный углерод или ta C. Фильтрованная катодная дуга может использоваться в качестве источника металлических ионов / плазмы для ионной имплантации и плазменного погружения ионной имплантации и осаждения (PIII&D).