Vakuumbågebeläggning (katodbågsavsättning) är en fysisk metod för beläggning ( tunna filmer ) i vakuum , genom att kondensera på ett substrat (produkt, del) material från plasmaflöden som genereras på en målkatod i katodfläcken i en hög- ström lågspänningsvakuumbågarladdning som utvecklas uteslutande i ångor från elektrodmaterialet [1] .
Metoden används för att applicera metall-, keramik- och kompositfilmer på olika produkter.
Metoden är även känd under namnen: katod-bågedeposition ( eng. Arc-PVD ), CIB-metoden - katodjonbombardement eller med andra ord metoden för kondensering av materia från plasmafasen i vakuum med jonbombardemang av ytan [2] (det senare är originalet författarens namn på skaparna av metoden). Namnen "jon-plasmasputtring", "kondensation med jonbombardement" är också kända.
Den industriella användningen av moderna vakuumbågsteknologier har sitt ursprung i Sovjetunionen . För första gången startades systematisk forskning och utveckling av vakuumbågsmetoden och utrustningen i syfte att anpassa dem till villkoren för industriell produktion av ett av forskarteamen vid Kharkov Institute of Physics and Technology (KIPT) tillbaka i det sena 60-talet av XX-talet [3] (och fortsätt till nutid). tid [4] ).
1976-1980 började utvecklingen av tekniker och teknologier för applicering av olika härdande och skyddande beläggningar med vakuumbågemetoden. De installationer som utvecklats vid KIPT för att applicera sådana beläggningar, och som ger upphov till en bred industriell tillämpning av metoden, kallades "Bulat" [5] . Installationen skyddades av fem utländska patent i USA, Storbritannien, Frankrike, Tyskland, Japan, Italien i samband med de pågående förhandlingarna då om att sälja licensen .
I slutet av 70-talet av XX-talet beslutade den sovjetiska regeringen att öppna denna teknik för väst. År 1979 fick H. Joseph Filner [6] , chefen för det amerikanska företaget Noblemet International [7] , av misstag veta om denna teknik under sin affärsresa till Sovjetunionen, där han såg dess effektiva och framgångsrika tillämpning inom industrin för härdning av metall- skärande verktyg . Som ett resultat undertecknade detta företag ett licensavtal med Sovjetunionens regering, och tillsammans med andra investerare för industriell implementering i väst skapade det speciellt företaget "Multi-Arc Vacuum Systems" (eller "MAVS" ), vars årliga inkomsten växte från noll på två år upp till 5 miljoner US-dollar [8] . Multi -Arc tilldelades en exklusiv licens för utrustning och teknik för deponering av TiN- beläggningar på skärverktyg gjorda av snabbstål. Territoriet för avtalet var mer än 40 länder i Nordamerika, Europa och Asien.
1981 tecknades ett licensavtal med VTP "Polytechna" ( Tjeckoslovakien ) för försäljning av teknik för härdning av skärverktyg med CIB-metoden.
1980-1985 patenterades förbättringar av Bulat-installationen, som överfördes på licens. Skyddsåtgärder erhölls för 36 patent i 15 länder [9] .
Av de flera designerna av katodbågsplasmakällor - huvudenheten som utför avdunstning och jonisering av katodmaterialet i en vakuumbåge - som fanns i Sovjetunionen vid den tiden, designen av L.P. Sablev (med medförfattare) fick användas utanför Sovjetunionen .
Vakuumbågeavdunstningsprocessen börjar med antändning av en vakuumbåge (kännetecknad av hög ström och låg spänning ), som bildar en eller flera punkter på ytan av katoden (målet) (storlekar från några mikron till tiotals mikron) emissionszoner (de så kallade "katodfläckarna") , där hela urladdningskraften är koncentrerad. Den lokala temperaturen på katodfläcken är extremt hög (ca 15000 °C ), vilket orsakar intensiv avdunstning och jonisering av katodmaterialet i dem och bildandet av höghastighetsplasmaflöden (upp till 10 km/s ) som fortplantar sig från katoden plats i det omgivande utrymmet. En separat katodfläck existerar endast under en mycket kort tidsperiod ( mikrosekunder ), vilket lämnar en karakteristisk mikrokrater på katodytan, sedan slocknar den själv och en ny katodfläck självinitierar i ett nytt område på katoden nära den föregående krater. Visuellt uppfattas detta som att bågen rör sig längs katodytan.
Eftersom bågen i huvudsak är en ledare med ström, kan den påverkas av påläggandet av ett elektromagnetiskt fält , som i praktiken används för att styra bågens rörelse längs katodens yta, för att säkerställa dess enhetliga erosion.
I en vakuumbåge koncentreras en extremt hög effekttäthet i katodfläckar, vilket resulterar i en hög joniseringsnivå (30-100%) av de resulterande plasmaflödena, bestående av flerfaldigt laddade joner, neutrala partiklar, kluster (makropartiklar, droppar ) . Om en reaktiv gas införs i vakuumkammaren under avdunstning, kan dess interaktion med plasmaflödet leda till dess dissociation , jonisering och excitation , följt av plasmakemiska reaktioner med bildning av nya kemiska föreningar och deras avsättning i form av en film (beläggning).
En anmärkningsvärd svårighet i vakuumbågsförångningsprocessen är att om katodfläcken förblir vid förångningspunkten för länge, kommer den att avge en stor mängd partikelformig eller droppfas . Dessa makroinneslutningar minskar egenskaperna hos beläggningarna, eftersom de har dålig vidhäftning till substratet och kan överskrida beläggningens tjocklek i storlek (sticka ut genom beläggningen). Det är ännu värre om målkatodmaterialet har en låg smältpunkt (till exempel aluminium ): i detta fall kan målet under katodfläcken smälta igenom, vilket gör att antingen materialet i katodstödhållaren börjar avdunsta, eller så börjar katodkylvattnet rinna in i vakuumkammaren, vilket leder till en nödsituation.
För att lösa detta problem, på ett eller annat sätt, förflyttas katodfläcken kontinuerligt längs en stor och massiv katod, som har tillräckligt stora linjära dimensioner. I grund och botten, som nämnts ovan, används magnetiska fält för att kontrollera katodfläckarnas rörelse över katodytan . För samma ändamål, när cylindriska katoder används, kan de under drift (avdunstning) ges rotationsrörelse. Genom att inte låta katodfläcken stanna på ett ställe för länge kan lågsmältande metallkatoder användas och mängden oönskad droppfas kan minskas.
Vissa företag använder också så kallade filtrerade bågar , där makroinneslutningar separeras från plasmaflödet med hjälp av magnetfält (se nedan) .
Katodbågskällan designad av Sablev (den vanligaste i väst) består av en kort massiv cylindrisk målkatod gjord av ett elektriskt ledande material och öppen i ena (arbets)änden. Denna katod är omgiven av en flytande potentialring ( skärm ), som tjänar till att skydda icke-fungerande ytor från ljusbågar. Anoden för detta system kan vara antingen väggen i vakuumkammaren eller en separat anod . Katodfläckar initieras genom att träffa ljusbågen med hjälp av en mekanisk trigger (tändare) vid den öppna änden av katoden genom att kortsluta kretsen mellan katoden och anoden. Efter antändning av bågen rör sig katodfläckarna spontant kaotiskt längs katodens öppna ände eller så ställs deras rörelse in med hjälp av ett externt magnetfält.
Det finns också flerkatoddesigner av katodbågskällor som gör det möjligt att applicera kombinerade flerskiktsbeläggningar och/eller beläggningar från kemiska föreningar med komplex sammansättning i en enda teknisk cykel [10] , där varje katod ansvarar för sin egen avsättning material eller förening baserad på det.
På grund av det faktum att målkatoden aktivt bombarderas av joner som skjuts ut från dess yta, innehåller plasmaflödet från katodbågskällan i allmänhet inte bara enskilda atomer eller molekyler utan också ganska stora kluster av dem (det så -kallade makropartiklar), som i vissa fall utan någon filtrering stör dess effektiva användning. Det finns många olika utformningar av filter (separatorer) av makropartiklar, av vilka den mest studerade är designen med en krökt plasmaguide (kanal), baserad på arbetet av I. I. Aksyonov (med medförfattare), publicerad på 70-talet av XX-talet. Det är en fjärdedel av en toroidkanal, där plasmaflödet, med hjälp av principerna för plasma(jon)optik, vrids i en vinkel på 90° mot plasmakällan, vilket resulterar i att neutrala eller svagt joniserade partiklar och makropartiklar sätter sig. på dess väggar utan att nå arbetsstycket.
Det finns också andra intressanta filterdesigner, som till exempel en rak kanaldesign med en inbyggd katod i form av en stympad kon, föreslagen av D. A. Karpov på 90-talet av XX-talet . Denna design, till denna dag, är ganska populär både bland företag som producerar slitstarka tunnfilmsbeläggningar och bland forskare i länderna i fd Sovjetunionen. . Det finns också katodbågskällor med förlängda cylindriska och rektangulära katoder, men de är mindre populära.
Katodisk bågavsättning används aktivt för syntes av mycket hårda slitstarka och skyddande beläggningar på ytan av ett skärverktyg, vilket avsevärt förlänger dess livslängd. Bland annat är till exempel titannitrid också populärt som en hållbar dekorativ " guldliknande " beläggning. Med denna teknik kan ett brett utbud av superhårda och nanokompositbeläggningar syntetiseras, inklusive TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN och TiAlSiN .
Denna teknik används också i stor utsträckning för avsättning av diamantliknande kolfilmer . Eftersom avsättningen av beläggningar av denna typ är särskilt känslig för parasitinneslutningar (makropartiklar), används nödvändigtvis plasmastrålefiltrering i utrustning för denna teknik. Den filtrerade vakuumbågsdiamantliknande kolfilmen innehåller en mycket hög andel diamant sp 3 - struktur och är känd som tetragonalt amorft kol eller ta-C .
Den filtrerade vakuumbågen kan också användas som en metalljon/plasmakälla för jonimplantation eller kombinerad plasmaimplantation med jonimplantation med beläggningsavsättning ( PIII&D ).