La deposición por arco catódico o Arc-PVD es una técnica de deposición física de vapor en la que se utiliza un arco eléctrico para vaporizar el material de un objetivo catódico . El material vaporizado luego se condensa sobre un sustrato, formando una película delgada . La técnica se puede utilizar para depositar películas metálicas , cerámicas y compuestas .
Historia
El uso industrial de la tecnología moderna de deposición por arco catódico se originó en la Unión Soviética alrededor de 1960-1970. A finales de los 70, el gobierno soviético lanzó el uso de esta tecnología a Occidente. Entre muchos diseños en la URSS en ese momento , se permitió que el diseño de LP Sablev , et al., Se usara fuera de la URSS.
Proceso
El proceso de evaporación del arco comienza con la aparición 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 de emisión pequeña (generalmente de unos pocos micrómetros de ancho) de alta energía 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 en la superficie del cátodo. La mancha del cátodo solo está activa durante un corto período de tiempo, luego se autoextingue y se vuelve a encender en una nueva área cerca del cráter anterior. Este comportamiento provoca el movimiento aparente del arco.
Como el arco es básicamente un conductor portador de corriente, puede verse influenciado por la aplicación de un campo electromagnético , que en la práctica se utiliza 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 resulta en 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 ocurrir disociación , ionización y excitación durante la interacción con el flujo de iones y se depositará una película compuesta.
Una desventaja del proceso de evaporación por arco es que si la mancha del cátodo permanece en un punto de evaporación durante demasiado tiempo, puede expulsar una gran cantidad de macropartículas o gotitas. Estas gotitas son perjudiciales para el rendimiento del revestimiento, ya que están mal adheridas y pueden extenderse a través del revestimiento. Peor aún, si el material objetivo del cátodo tiene un punto de fusión bajo, como el aluminio, la mancha del cátodo puede evaporarse a través del objetivo, lo que da como resultado que el material de la placa de respaldo del objetivo 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 utilizan cátodos cilíndricos, los cátodos también se pueden girar durante la deposición. Al no permitir que el punto del cátodo permanezca en una posición durante demasiado tiempo, se pueden usar blancos de aluminio y se reduce el número de gotas. Algunas empresas también utilizan arcos filtrados que utilizan campos magnéticos para separar las gotas del flujo de recubrimiento.
Diseño de equipos
Una fuente de arco catódico tipo Sablev, que es la más utilizada en Occidente, consiste en un blanco corto de forma cilíndrica, conductor de electricidad en el cátodo con un extremo abierto. Este objetivo tiene un anillo de metal flotante eléctricamente que lo rodea, 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 gatillo mecánico (o encendedor) que golpea el extremo abierto del objetivo, provocando un cortocircuito temporal entre el cátodo y el ánodo. Una vez que se generan los puntos de arco, pueden ser dirigidos por un campo magnético o moverse al azar en ausencia de campo magnético.
El haz de plasma de una fuente de arco catódico contiene algunos grupos más grandes de átomos o moléculas (las llamadas macropartículas), que impiden que sea útil para algunas aplicaciones sin algún tipo de filtrado. Hay muchos diseños de 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 desde la fuente del arco y el plasma es guiado fuera del conducto por el principio de la óptica de plasma.
También hay otros diseños interesantes, como un diseño que incorpora un filtro de conducto recto incorporado con un cátodo en forma de cono truncado según lo informado por DA Karpov en la década de 1990. Este diseño se hizo bastante popular entre los investigadores y los recubridores de película delgada y dura de Rusia y los países de la antigua URSS hasta ahora. Las fuentes de arco catódico pueden tener una forma tubular larga (arco extendido) o una forma rectangular larga, pero ambos diseños son menos populares.
Aplicaciones
La deposición por arco catódico se usa activamente para sintetizar películas extremadamente duras para proteger la superficie de las herramientas de corte y extender su vida significativamente. Una amplia variedad de película fina y dura, revestimientos Superhard y nanocompuestos recubrimientos se puede sintetizar mediante esta tecnología incluyendo TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN y TiAlSiN .
Esto también se usa de manera bastante extensa, particularmente para la deposición de iones de carbono para crear películas de carbono de tipo diamante . Debido a que los iones son lanzados desde la superficie de manera balística , es común que no solo se expulsen átomos individuales, sino también grupos más grandes de átomos. Por lo tanto, este tipo de sistema requiere un filtro para eliminar los grupos de átomos del haz antes de la deposición. La película de DLC de un arco filtrado contiene un porcentaje extremadamente alto de diamante sp 3 que se conoce como carbono amorfo tetraédrico , o ta-C .
Filtered por arco catódico se puede utilizar como fuente de iones metálicos / plasma para implantación de iones y Plasma Immersion Ion implantación y deposición (PIII & D).
Ver también
Referencias
- SVC "Actas de la 51ª Conferencia Técnica Anual" (2008) Society of Vacuum Coaters, ISSN 0737-5921 (actas anteriores disponibles en CD de SVC Publications)
- A. Anders, "Arcos catódicos: de manchas fractales a la condensación energética" (2008) Springer, Nueva York.
- RL Boxman, DM Sanders y PJ Martin (editores) "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology" (1995) Publicaciones Noyes, Park Ridge, Nueva Jersey
- Brown, IG, Annu. Rev. Mat. Sci. 28, 243 (1998).
- Sablev et al., Patente de EE.UU. # 3.783.231, 01 de enero de 1974
- Sablev et al., Patente de EE.UU. nº 3.793.179, 19 de febrero de 1974
- DA Karpov, "Fuentes de arco catódico y filtrado de macropartículas", Tecnología de superficies y revestimientos 96 (1997) 22-23
- S. Surinphong, "Conocimientos básicos sobre sistemas PVD y recubrimientos para el recubrimiento de herramientas" (1998), en tailandés
- AI Morozov, Informes de la Academia de Ciencias de la URSS, 163 (1965) 1363, en idioma ruso
- II Aksenov, VA Belous, VG Padalka, VM Khoroshikh, "Transporte de corrientes de plasma en un sistema de óptica de plasma curvilíneo", Revista Soviética de Física del Plasma, 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