انباشت (رسوب دهی) قوس کاتدی

رسوب دهی قوس کاتدی (Arc-PVD) یک روش انباشت بخار فیزیکی است که در آن از یک قوس الکتریکی برای تبخیر ماده از کاتد هدف استفاده می شود. سپس ماده تبخیر شده روی یک بستر متراکم شده و یک لایه نازک تشکیل می دهد. از این روش می توان برای رسوب گذاری لایه های فلز، سرامیک و کامپوزیت استفاده نمود.

تاریخچه[ویرایش]

استفاده صنعتی از فناوری مدرن انباشت قوس کاتدی حوالی 1960-1970 در اتحاد جماهیر شوروی آغاز شد. در اواخر دهه 70، دولت شوروی استفاده از این فناوری را در غرب منتشر کرد. از میان طرح های بسیار آن زمان در اتحاد جماهیر شوروی، طرح سابلو و همکاران او مجاز به استفاده در خارج از اتحاد جماهیر شوروی بود.

فرآیند[ویرایش]

فرآیند تبخیر قوس با برخورد یک قوس جریان بالا و ولتاژ پایین به روی سطح یک کاتد (تحت عنوان هدف) شروع می شود که باعث ایجاد یک قسمت کوچک (معمولا حدود چند میکرومتر ) با انرژی زیاد به عنوان نقطه کاتد می شود. دمای موضعی در نقطه کاتد بسیار بالا (حدود 15000 درجه سانتیگراد) است. دمای بالا منجر به انفجاری از کاتد بخار شده با سرعت بالا (10 کیلومتر بر ثانیه) می شود. در نتیجه این پرتاب بر روی سطح کاتد، مواد بخار شده دهانه ای ایجاد می کند. نقطه کاتد فقط برای مدت زمان کوتاهی فعال است، پس از آن خود به خود خاموش می شود و دوباره در یک منطقه جدید نزدیک به دهانه قبلی مشتعل میگردد. این رفتار باعث ایجاد حرکت ظاهری قوس می شود.

از آنجایی که قوس در واقع جریان حامل رسانا است، می‌تواند تحت تأثیر اعمال میدان الکترومغناطیسی قرار گیرد. در عمل از این ویژگی برای حرکت سریع قوس بر روی تمام سطح هدف استفاده می‌شود، به طوری که کل سطح در طول زمان خورده شود.

قوس چگالی توان بسیار بالایی دارد که منجر به میزان زیادی از یونش (30-100٪)، یون های باردار متعدد، ذرات خنثی، خوشه ها و ذرات ماکرو (قطرات کوچک) می شود. اگر یک گاز واکنش پذیر در طی فرآیند تبخیر وارد شود، تفکیک، یونش و حالت برانگیخته حین برهمکنش با شار یونی رخ می دهد و یک لایه ترکیبی رسوب ایجاد می‌کند.

از معایب فرآیند تبخیر قوس این است که اگر نقطه کاتد برای مدت طولانی در نقطه تبخیر بماند، می‌تواند تعداد زیادی ماکروذرات یا قطرات را به بیرون بپاشد. این قطرات برای عملکرد روکش مضر هستند زیرا به خوبی نچسبیده اند و می توانند در سرتاسر پوشش گسترش یابند. در شرایطی بدتر اگر ماده کاتد هدف دارای نقطه ذوب پایینی مانند آلومینیوم باشد، نقطه کاتد میتواند از میان هدف تبخیر شود. در ادامه یا ماده صفحه پشتی هدف تبخیر می شود یا آب خنک کننده وارد چمبر می شود. پس، همانطور که قبلا گفته شد میدان های مغناطیسی برای کنترل حرکت قوس به کار برده می شوند. اگر از کاتدهای استوانه ای استفاده شود، کاتدها نیز می توانند در طول انباشت چرخانده شوند. با پیشگیری از ثابت ماندن نقطه کاتد در یک موقعیت برای مدتی طولانی، امکان استفاده از اهداف آلومینیومی فراهم میشود و تعداد قطرات پرتاب شده را کاهش داد. همچنین برخی از شرکت ها از قوس های فیلتردار استفاده می کنند که با استفاده از میدان های مغناطیسی قطرات را از شار پوشش جدا می کنند.

طراحی تجهیزات[ویرایش]

منبع قوس کاتدی نوع سابلو به طور گسترده در غرب مورد استفاده قرار می گیرند. این منبع از یک هدف استوانه ای کوتاه و رسانای الکتریکیسته در کاتد که یک انتهای آن باز است، ساخته شده است. کاتد هدف توسط یک حلقه فلزی معلق الکتریکی محصور شده است. این حلقه که به عنوان یک حلقه محصور کننده قوس (سپر Strel'nitskij) عمل می کند. برای بخش آند سیستم می توان دیوار محفظه خلاء یا آند گسسته را کار گذاشت. نقاط قوس توسط یک قلاب مکانیکی (یا جرقه زن) ایجاد می شوند و به انتهای باز هدف برخورد می کنند. در این هنگام یک اتصال کوتاه موقت میان کاتد و آند ایجاد می شود. پس از اینکه ایجاد نقاط قوس ایجاد شدند، می توان آنها را توسط یک میدان مغناطیسی هدایت کرد، یا در غیاب میدان مغناطیسی به طور تصادفی حرکت داد.

فیلتر ماکروذرات مجرای Aksenov Quarter-torus که با استفاده از اصول نوری پلاسما توسط موروزو توسعه یافته است.

پرتو پلاسما آمده از یک منبع قوس کاتدی حاوی تعدادی خوشه بزرگتر از اتم ها یا مولکول ها (به اصطلاح ماکروذرات) است که در صورت عدم استفاده از فیلتر باعث عیب در برخی کاربردها می شود. طرح‌های زیادی برای فیلترهای ماکروذرات وجود دارد و بیشترین طرح مورد مطالعه بر اساس کار Aksenov و همکارانش در دهه 70 است. این طرح شامل یک مجرای ربع دایره است که 90 درجه نسبت به منبع قوس خم شده است و پلاسما بر اساس اصول اپتیک پلاسما به خارج از مجرا هدایت می شود.

همینطور طرح‌های جالب دیگری وجود دارد، مانند طرحی که یک فیلتر مجرای مستقیم را داخل یک کاتد مخروطی کوتاه قرار می گیرد است. این طرح توسط کارپو (D. A. Karpov) در دهه 1990 گزارش شده است. این طرح برای پوشش های لایه سخت نازک میان محققین روسیه و کشورهای اتحاد جماهیر شوروی سابق تا کنون بسیار محبوب شده است. منابع قوس کاتدی را می توان به شکل لوله ای بلند (قوس ممتد) یا لوله مستطیل شکل بلند ساخت، اما هر دو این طرح ها کمتر محبوب هستند.

کاربردها[ویرایش]

رسوب گذاری قوس کاتدی به طور فعال برای قرار دادن لایه های بسیار سخت برای محافظت از سطح ابزارهای برش و افزایش عمر آنها به میزان قابل توجهی استفاده می شود. طیف گسترده‌ای از لایه‌های سخت نازک مانند پوشش‌های فوق سخت و پوشش‌های نانوکامپوزیت از جمله مواد TiN ، TiAlN ، CrN ، ZrN ، AlCrTiN و TiAlSiN را می‌توان با این فناوری ایجاد کرد.

همچنین این فرآیند به طور وسیع و ویژه برای رسوب یون کربن برای ایجاد لایه های کربن شبه الماس استفاده می شود. از آنجایی که یون ها به صورت بالستیک از سطح منفجر می شوند، معمولاً نه تنها اتم های تکین، بلکه خوشه های بزرگ تری از اتم ها هم پرتاب می شوند. بنابراین، این نوع سیستم به یک فیلتر برای حذف خوشه های اتمی از پرتو قبل از رسوب گذاری نیاز دارد. لایه DLC از یک قوس فیلتردار درصد بسیار بالایی از الماس sp ³ را داراست. که با عنوان کربن آمورف چهار وجهی یا ta-C شناخته می شود.

قوس کاتدی فیلتردار می تواند به عنوان منبع یون/پلاسما فلزی برای کاشت یون و کاشت پلاسما و یون و رسوب گذاری (PIII&D) استفاده شود.

جستارهای وابسته[ویرایش]

انباشت پرتوی یونی
انباشت بخار فیزیکی

منابع[ویرایش]

SVC "51st Annual Technical Conference Proceedings" (2008) Society of Vacuum Coaters, ISSN 0737-5921 (previous proceedings available on CD from SVC Publications)
A. Anders, "Cathodic Arcs: From Fractal Spots to Energetic Condensation" (2008) Springer, New York.
R. L. Boxman, D. M. Sanders, and P. J. Martin (editors) "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology"(1995) Noyes Publications, Park Ridge, N.J.
Brown, I.G., Annu. Rev. Mat. Sci. 28, 243 (1998).
Sablev et al., US Patent #3,783,231, 01 Jan. 1974
Sablev et al., US Patent #3,793,179, 19 Feb. 1974
D. A. Karpov, "Cathodic arc sources and macroparticle filtering", Surface and Coatings technology 96 (1997) 22-23
S. Surinphong, "Basic Knowledge about PVD Systems and Coatings for Tools Coating" (1998), in Thai language
A. I. Morozov, Reports of the Academy of Sciences of the USSR, 163 (1965) 1363, in Russian language
I. I. Aksenov, V. A. Belous, V. G. Padalka, V. M. Khoroshikh, "Transport of plasma streams in a curvilinear plasma-optics system", Soviet Journal of Plasma Physics, 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

[[رده:پوشش‌ها]] [[رده:لایه‌نشانی]] [[رده:فرایندهای صنعتی]]