Катодное дуговое осаждение или Arc-PVD — это метод физического осаждения из паровой фазы , при котором электрическая дуга используется для испарения материала с катодной мишени. Затем испаренный материал конденсируется на подложке, образуя тонкую пленку . Этот метод можно использовать для осаждения металлических , керамических и композитных пленок.
Промышленное использование современной технологии катодного дугового осаждения возникло в Советском Союзе около 1960–1970 годов. К концу 1970-х годов советское правительство разрешило использование этой технологии на Западе. Среди многих разработок в СССР в то время разработка Л. П. Саблева и др. была разрешена к использованию за пределами СССР.
Процесс испарения дуги начинается с зажигания дуги высокого тока и низкого напряжения на поверхности катода ( известного как мишень), что приводит к образованию небольшой (обычно шириной в несколько микрометров ), высокоэнергетической излучающей области, известной как катодное пятно. Локальная температура в катодном пятне чрезвычайно высока (около 15000 °C), что приводит к высокоскоростной ( 10 км/с) струе испаренного материала катода, оставляющей кратер на поверхности катода. Катодное пятно активно только в течение короткого периода времени, затем оно самогаснет и снова зажигается в новой области, близкой к предыдущему кратеру. Такое поведение вызывает видимое движение дуги.
Поскольку дуга по сути является проводником тока, на нее можно воздействовать с помощью электромагнитного поля , которое на практике используется для быстрого перемещения дуги по всей поверхности мишени, так что со временем вся поверхность подвергается эрозии.
Дуга имеет чрезвычайно высокую плотность мощности , что приводит к высокому уровню ионизации (30-100%), многозарядным ионам , нейтральным частицам, кластерам и макрочастицам (каплям). Если в процессе испарения вводится реактивный газ, то при взаимодействии с ионным потоком может происходить диссоциация , ионизация и возбуждение , и будет осаждаться составная пленка.
Одним из недостатков процесса испарения дуги является то, что если катодное пятно остается в точке испарения слишком долго, оно может выбросить большое количество макрочастиц или капель. Эти капли вредны для характеристик покрытия, поскольку они плохо прилипают и могут просачиваться сквозь покрытие. Еще хуже, если материал катодной мишени имеет низкую температуру плавления, например, алюминий, катодное пятно может испаряться через мишень, что приводит либо к испарению материала подложки мишени, либо к попаданию охлаждающей воды в камеру. Поэтому для управления движением дуги используются магнитные поля, как упоминалось ранее. Если используются цилиндрические катоды, катоды также могут вращаться во время осаждения. Не позволяя катодному пятну оставаться в одном положении слишком долго, можно использовать алюминиевые мишени, и количество капель уменьшается. Некоторые компании также используют фильтрованные дуги, которые используют магнитные поля для отделения капель от потока покрытия.
Источник катодной дуги типа Sablev, который наиболее широко используется на Западе, состоит из короткой цилиндрической формы, электропроводящей мишени на катоде с одним открытым концом. Эта мишень имеет электрически плавающее металлическое кольцо, окружающее ее, работающее как кольцо ограничения дуги (щит Стрельницкого). Анодом для системы может быть либо стенка вакуумной камеры, либо дискретный анод. Пятна дуги генерируются механическим триггером (или воспламенителем), ударяющим по открытому концу мишени, создавая временное короткое замыкание между катодом и анодом. После того, как пятна дуги сгенерированы, ими можно управлять с помощью магнитного поля или перемещаться хаотично в отсутствие магнитного поля.
Плазменный пучок из источника катодной дуги содержит несколько более крупных кластеров атомов или молекул (так называемых макрочастиц), которые не позволяют использовать его в некоторых приложениях без какой-либо фильтрации. Существует множество конструкций фильтров макрочастиц, и наиболее изученная конструкция основана на работе И.И. Аксенова и др. 70-х годов. Она состоит из четвертьтора, изогнутого под углом 90 градусов от источника дуги, и плазма выводится из канала по принципу плазменной оптики.
Существуют и другие интересные конструкции, например, конструкция, включающая встроенный фильтр с прямым каналом и катодом в форме усеченного конуса, о которой сообщал Д.А. Карпов в 1990-х годах. Эта конструкция стала довольно популярной как среди специалистов по нанесению тонких твердых пленок, так и среди исследователей в России и странах бывшего СССР до настоящего времени. Катодные дуговые источники могут быть выполнены в форме длинной трубчатой формы (расширенная дуга) или длинной прямоугольной формы, но обе конструкции менее популярны.
Катодно-дуговое осаждение активно используется для синтеза чрезвычайно твердых пленок для защиты поверхности режущих инструментов и значительного продления их срока службы. С помощью этой технологии можно синтезировать широкий спектр тонких твердых пленок, сверхтвердых покрытий и нанокомпозитных покрытий, включая TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN и TiAlSiN .
Это также довольно широко используется, в частности, для осаждения ионов углерода для создания алмазоподобных углеродных пленок. Поскольку ионы выбрасываются с поверхности баллистически , обычно выбрасываются не только отдельные атомы, но и более крупные кластеры атомов. Таким образом, этот тип системы требует фильтра для удаления кластеров атомов из пучка перед осаждением. Пленка DLC из фильтрованной дуги содержит чрезвычайно высокий процент алмаза sp 3 , который известен как тетраэдрический аморфный углерод , или ta-C .
Фильтрованная катодная дуга может использоваться в качестве источника ионов металла/плазмы для ионной имплантации и плазменно-иммерсионной ионной имплантации и осаждения (PIII&D).