Deposición de arco catódico

Deposición de arco catódico o Arc-PVD es una técnica física de deposición de vapor en la que se utiliza un arco eléctrico para vaporizar 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 años 70, el gobierno soviético liberó el uso de esta tecnología en Occidente. Entre muchos diseños en la URSS en ese momento, se permitió el uso fuera de la URSS del diseño de L. P. Sablev, et al.

Proceso

El proceso de evaporación del arco comienza con el inicio de un arco de alta corriente y bajo voltaje en la superficie de un cátodo (conocido como objetivo) que da lugar a una pequeña (generalmente de unos pocos micrómetros de ancho) y área emisora de alta energía conocida como como punto catódico. La temperatura localizada en el punto del cátodo es extremadamente alta (alrededor de 15000 °C), lo que da como resultado un chorro de material catódico vaporizado a alta velocidad (10 km/s), dejando un cráter en la superficie del cátodo. La mancha catódica sólo 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. tiempo.

El arco tiene una densidad de potencia extremadamente alta que resulta en un alto nivel de ionización (30-100%), múltiples iones cargados, partículas neutras, grupos 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 el punto del cátodo permanece en un punto de evaporación durante demasiado tiempo, puede expulsar una gran cantidad de macropartículas o gotas. 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 provoca que el material de la placa de soporte del objetivo se evapore o que entre agua de refrigeración en la cámara. Por lo tanto, los campos magnéticos mencionados 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 catódico permanezca en una posición durante demasiado tiempo, se pueden utilizar objetivos 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 objetivo corto, de forma cilíndrica y eléctricamente conductor en el cátodo con un extremo abierto. Este objetivo tiene un anillo metálico eléctricamente flotante que lo rodea y 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 se generan mediante un disparador mecánico (o encendedor) que golpea el extremo abierto del objetivo y genera un cortocircuito temporal entre el cátodo y el ánodo. Una vez generados los puntos de arco, pueden ser dirigidos por un campo magnético o moverse aleatoriamente 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), lo que impide que sea útil para algunas aplicaciones sin algún tipo de filtrado. Existen muchos diseños de filtros de macropartículas y el diseño más estudiado se basa en el trabajo de I. I. Aksenov et al. en los años 70. Consiste en un conducto de un cuarto de toro curvado a 90 grados desde la fuente del arco y el plasma se guía fuera del conducto según el principio de la óptica del 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, como informó D. A. Karpov en la década de 1990. Este diseño se hizo muy popular hasta ahora tanto entre los recubridores de películas delgadas duras como entre los investigadores de Rusia y los países de la antigua URSS. 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 utiliza activamente para sintetizar películas extremadamente duras para proteger la superficie de las herramientas de corte y prolongar significativamente su vida útil. Esta tecnología puede sintetizar una amplia variedad de recubrimientos de película dura delgada, superduros y nanocompuestos, incluidos TiN, TiAlN, CrN, ZrN, AlCrTiN y TiAlSiN.

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

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