Vakuum-bue-belægning (katode-bue-afsætning) er en fysisk metode til belægning ( tynde film ) i vakuum ved at kondensere på et substrat (produkt, del) materiale fra plasmastrømme genereret på en målkatode i katodepletten af en høj- strøm lavspændingsvakuumbueudladning , der udelukkende udvikler sig i dampe fra elektrodematerialet [ 1] .
Metoden bruges til at påføre metal, keramik og kompositfilm på forskellige produkter.
Metoden kendes også under navnene: katode-bue deposition ( eng. Arc-PVD ), CIB metode - katode-ion bombardement eller med andre ord metoden til kondensering af stof fra plasmafasen i vakuum med ion bombardement af overfladen [2] (sidstnævnte er den originale forfatters navn på skaberne af metoden). Navnene "ion-plasma sputtering", "kondensation med ion bombardement" er også kendt.
Den industrielle brug af moderne vakuumbueteknologier stammer fra USSR . For første gang blev systematisk forskning og udvikling af vakuumbuemetoden og -udstyret med det formål at tilpasse dem til betingelserne for industriel produktion startet af et af forskerholdene fra Kharkov Institute of Physics and Technology (KIPT) tilbage i slutningen af 60'erne af det XX århundrede [3] (og fortsæt til nutiden). tid [4] ).
I 1976-1980 begyndte udviklingen af teknikker og teknologier til påføring af forskellige hærdende og beskyttende belægninger ved vakuum-bue-metoden. De installationer, der er udviklet hos KIPT til påføring af sådanne belægninger, og som giver anledning til en bred industriel anvendelse af metoden, blev kaldt "Bulat" [5] . Installationen var beskyttet af fem udenlandske patenter i USA, Storbritannien, Frankrig, Tyskland, Japan, Italien i forbindelse med de på det tidspunkt igangværende forhandlinger om at sælge licensen .
I slutningen af 70'erne af det XX århundrede besluttede den sovjetiske regering at åbne denne teknologi for Vesten. I 1979 lærte H. Joseph Filner [6] , lederen af den amerikanske virksomhed Noblemet International [7] , ved et uheld om denne teknologi under sin forretningsrejse til USSR, da han så dens effektive og succesrige anvendelse i industrien til hærdning af metal- skæreværktøj . Som et resultat underskrev dette selskab en licensaftale med USSR's regering, og sammen med andre investorer til industriel implementering i Vesten oprettede det specielt virksomheden "Multi-Arc Vacuum Systems" (eller "MAVS" ), hvis årlige indkomsten voksede fra nul på to år op til 5 millioner amerikanske dollars [8] . Multi -Arc blev tildelt en eksklusiv licens til udstyr og teknologi til afsætning af TiN- belægninger på skærende værktøjer fremstillet af højhastighedsstål. Aftalens område var mere end 40 lande i Nordamerika, Europa og Asien.
I 1981 blev der underskrevet en licensaftale med VTP "Polytechna" ( Tjekkoslovakiet ) om salg af teknologi til hærdning af skærende værktøjer efter CIB-metoden.
I 1980-1985 blev forbedringer af Bulat-installationen, overført på licens, patenteret. Der blev opnået sikkerhedsforanstaltninger for 36 patenter i 15 lande [9] .
Af de adskillige designs af katodebueplasmakilder - den vigtigste enhed, der udfører fordampning og ionisering af katodematerialet i en vakuumbue - der eksisterede i USSR på det tidspunkt, var designet af L.P. Sablev (med medforfattere) var tilladt til brug uden for USSR .
Vakuum-bue-fordampningsprocessen begynder med antændelse af en vakuumbue (kendetegnet ved høj strøm og lav spænding ), som danner på overfladen af katoden (målet) et eller flere punkter (størrelser fra nogle få mikron til titusvis af mikron) emissionszoner (de såkaldte "katodepletter") , hvor hele afladningseffekten er koncentreret. Den lokale temperatur på katodepletten er ekstremt høj (ca. 15000 °C ), hvilket forårsager intens fordampning og ionisering af katodematerialet i dem og dannelsen af højhastigheds (op til 10 km/s ) plasmastrømme, der udbreder sig fra katoden spot ind i det omgivende rum. En separat katodeplet eksisterer kun i en meget kort periode ( mikrosekunder ), hvilket efterlader et karakteristisk mikrokrater på katodeoverfladen, hvorefter det selvslukker, og en ny katodeplet starter selv i et nyt område på katoden tæt på den forrige. krater. Visuelt opfattes dette som at buen bevæger sig langs katodeoverfladen.
Da lysbuen i det væsentlige er en leder med strøm, kan den påvirkes af pålæggelsen af et elektromagnetisk felt , som i praksis bruges til at kontrollere bevægelsen af buen langs katodens overflade, for at sikre dens ensartede erosion.
I en vakuumbue er en ekstrem høj effekttæthed koncentreret i katodepletter, hvilket resulterer i et højt niveau af ionisering (30-100%) af de resulterende plasmastrømme, bestående af flerdobbelt ladede ioner, neutrale partikler, klynger (makropartikler, dråber ) . Hvis en reaktiv gas indføres i vakuumkammeret under fordampning, kan dens interaktion med plasmastrømmen føre til dissociation , ionisering og excitation , efterfulgt af plasma-kemiske reaktioner med dannelse af nye kemiske forbindelser og deres aflejring i form af en film (coating).
En bemærkelsesværdig vanskelighed ved vakuumbuefordampningsprocessen er, at hvis katodepletten forbliver ved fordampningspunktet for længe, vil den udsende en stor mængde partikel- eller dråbefaser . Disse makroindeslutninger reducerer belægningernes egenskaber, da de har dårlig vedhæftning til underlaget og kan overstige belægningens tykkelse i størrelse (stikker ud gennem belægningen). Det er endnu værre, hvis målkatodematerialet har et lavt smeltepunkt (for eksempel aluminium ): i dette tilfælde kan målet under katodepletten smelte igennem, hvilket resulterer i, at enten materialet i katodestøtteholderen begynder at fordampe, eller katodens kølevand begynder at strømme ind i vakuumkammeret, hvilket fører til en nødsituation.
For at løse dette problem på den ene eller anden måde bevæges katodepletten kontinuerligt langs en stor og massiv katode, som har tilstrækkeligt store lineære dimensioner. Dybest set, som nævnt ovenfor, bruges magnetiske felter til at styre bevægelsen af katodepletter over katodeoverfladen . Til samme formål, når der anvendes cylindriske katoder, kan de under drift (fordampning) gives rotationsbevægelse. Ved ikke at lade katodepunktet forblive på ét sted for længe, kan lavtsmeltende metalkatoder bruges, og mængden af uønsket dråbefase kan reduceres.
Nogle virksomheder anvender også såkaldte filtrerede buer , hvor makroinklusioner adskilles fra plasmastrømmen ved hjælp af magnetiske felter (se nedenfor) .
Katode-buekilden designet af Sablev (den mest almindelige i Vesten) består af en kort massiv cylindrisk målkatode lavet af et elektrisk ledende materiale og åben i den ene (arbejds)ende. Denne katode er omgivet af en flydende potentialring ( skjold ), som tjener til at beskytte ikke-fungerende overflader mod buedannelse. Anoden til dette system kan enten være væggen i vakuumkammeret eller en separat anode . Katodespots initieres ved at ramme lysbuen ved hjælp af en mekanisk trigger (tænder) ved den åbne ende af katoden ved at kortslutte kredsløbet mellem katoden og anoden. Efter tænding af lysbuen bevæger katodepunkterne sig spontant kaotisk langs den åbne ende af katoden, eller deres bevægelse indstilles ved hjælp af et eksternt magnetfelt.
Der er også multikatodedesign af katodebuekilder, der gør det muligt at påføre kombinerede flerlagsbelægninger og/eller belægninger fra kemiske forbindelser af kompleks sammensætning i en enkelt teknologisk cyklus [10] , hvor hver katode er ansvarlig for sin egen afsætning materiale eller sammensætning baseret på det.
På grund af det faktum, at målkatoden aktivt bombarderes af ioner, der udstødes fra dens overflade, indeholder plasmastrømmen fra katode-buekilden i almindelighed ikke kun individuelle atomer eller molekyler , men også temmelig store klynger af dem ( dvs. -kaldet makropartikler), som i nogle tilfælde uden nogen form for filtrering forstyrrer dens effektive anvendelse. Der er mange forskellige designs af filtre (separatorer) af makropartikler, hvoraf den mest undersøgte er designet med en krumlinjet plasmaguide (kanal), baseret på arbejdet fra I. I. Aksyonov (med medforfattere), udgivet i 70'erne af XX århundrede. Det er en fjerdedel af en toroidkanal, hvor plasmastrømmen ved hjælp af principperne for plasma(ion)optik drejes i en vinkel på 90° i forhold til plasmakilden, hvilket resulterer i, at neutrale eller svagt ioniserede partikler og makropartikler sætter sig på sine vægge uden at nå arbejdsemnet.
Der er også andre interessante filterdesigns, såsom for eksempel et straight-kanal design med en indbygget katode i form af en keglestub, foreslået af D. A. Karpov i 90'erne af det XX århundrede . Dette design er den dag i dag ret populært både blandt virksomheder, der producerer tyndfilm slidbestandige belægninger og blandt forskere i landene i det tidligere USSR. . Der er også katode-buekilder med udvidede cylindriske og rektangulære katoder, men de er mindre populære.
Katodisk bueaflejring bruges aktivt til syntese af meget hårde slidbestandige og beskyttende belægninger på overfladen af et skæreværktøj, hvilket forlænger dets levetid betydeligt. Blandt andet er for eksempel titaniumnitrid også populær som en holdbar dekorativ " guldlignende " belægning. Ved hjælp af denne teknologi kan en lang række superhårde og nanokompositbelægninger syntetiseres, herunder TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN og TiAlSiN .
Denne teknologi er også meget brugt til afsætning af diamantlignende kulstoffilm . Da aflejringen af belægninger af denne type er særligt følsom over for parasitære indeslutninger (makropartikler), er plasmastrålefiltrering nødvendigvis brugt i udstyr til denne teknologi. Den filtrerede vakuumbue diamantlignende carbonfilm indeholder en meget høj procentdel af diamant sp 3 struktur og er kendt som tetragonal amorft carbon eller ta-C .
Den filtrerede vakuumbue kan også bruges som en metalion/plasmakilde til ionimplantation eller kombineret plasma-immersionsionimplantation med belægningsaflejring ( PIII&D ).