A vákuumíves bevonat (katódíves bevonat) egy fizikai eljárás ( vékony filmek ) vákuumban történő bevonására , amelynek során a célkatódon generált plazmaáramokból egy szubsztrátumra (termékre, alkatrészre) kondenzálódnak egy nagy teljesítményű katód katódfoltjában . Kizárólag az elektróda anyagának gőzeiben fejlődő kisfeszültségű vákuum ívkisülés [ 1] .
A módszert fém, kerámia és kompozit filmek felhordására használják különféle termékekre.
A módszer néven is ismert: katódíves leválasztás ( eng. Arc-PVD ), CIB módszer - katódionos bombázás, vagy más szóval a plazmafázisból anyag vákuumban történő kondenzációja ionbombázással . a felület [2] (utóbbi a módszer megalkotóinak eredeti szerzői neve). Az „ion-plazma porlasztás”, „kondenzáció ionbombázással” elnevezések is ismertek.
A modern vákuumíves technológiák ipari felhasználása a Szovjetunióból származik . A Harkovi Fizikai és Technológiai Intézet (KIPT) egyik kutatócsoportja első ízben kezdett el a vákuumíves módszer és berendezések szisztematikus kutatásába és fejlesztésébe az ipari termelés feltételeihez való igazítás céljából . a XX. század 60-as éveinek vége [3] (és napjainkig). idő [4] ).
1976-1980-ban megkezdődött a különféle keményedő és védőbevonatok vákuumíves módszerrel történő felvitelére szolgáló technikák és technológiák fejlesztése. A KIPT-nél az ilyen bevonatok felhordására kifejlesztett és a módszer széles körű ipari alkalmazását lehetővé tévő berendezéseket "Bulat"-nak [5] nevezték el . A telepítést öt külföldi szabadalom védte az Egyesült Államokban, Nagy-Britanniában, Franciaországban, Németországban, Japánban és Olaszországban az akkori licenceladásról folyó tárgyalások kapcsán .
A XX. század 70-es éveinek végén a szovjet kormány úgy döntött, hogy megnyitja ezt a technológiát a Nyugat felé. 1979-ben H. Joseph Filner [6] , az amerikai Noblemet International [7] vezetője véletlenül megismerte ezt a technológiát a Szovjetunióba tett üzleti útja során, ahol meglátta annak hatékony és sikeres ipari alkalmazását a fémek keményítésére. vágószerszámok . Ennek eredményeként ez a vállalat licencszerződést írt alá a Szovjetunió kormányával, és más nyugati ipari megvalósítást célzó befektetőkkel együtt létrehozta a "Multi-Arc Vacuum Systems" (vagy "MAVS" ) társaságot, amelynek éves a bevétel két év alatt nulláról 5 millió dollárra nőtt [8] . A Multi -Arc kizárólagos licencet kapott a gyorsacélból készült vágószerszámok TiN bevonatainak felhordására szolgáló berendezésekre és technológiára . A megállapodás területe több mint 40 észak-amerikai, európai és ázsiai ország volt.
1981-ben licencszerződést írtak alá a VTP "Polytechna"-val ( Csehszlovákia ) a forgácsolószerszámok CIB módszerrel történő edzéséhez szükséges technológia értékesítésére.
1980-1985-ben szabadalmaztatták a Bulat-telepítés licenc alapján átadott fejlesztéseit. 15 országban 36 szabadalomra szereztek biztosítékokat [9] .
A Szovjetunióban akkoriban létezett számos katódíves plazmaforrás - a katódanyag vákuumívben történő elpárologtatását és ionizálását végző fő eszköz - közül L. P. Sablev terve (társszerzőkkel) a Szovjetunión kívül is használható volt .
A vákuumíves elpárologtatási folyamat egy vákuumív begyújtásával kezdődik (amelyet nagy áramerősség és alacsony feszültség jellemez ), amely a katód (célpont) felületén egy vagy több pontot (néhány mikrontól több tíz mikronig terjedő méretben) hoz létre. emissziós zónák (az úgynevezett "katódfoltok"), amelyekben a teljes kisülési teljesítmény koncentrálódik. A katódfolt lokális hőmérséklete rendkívül magas (kb. 15000 °C ), ami a bennük lévő katódanyag intenzív párolgását és ionizációját, valamint a katódról terjedő nagy sebességű (akár 10 km/s ) plazmaáramlás kialakulását idézi elő. bejutni a környező térbe. Egy külön katódfolt csak nagyon rövid ideig ( mikromásodperc ) létezik, jellegzetes mikrokrátert hagyva a katód felületén, majd magától kialszik, és egy új katódfolt a katódon az előzőhöz közeli új területen indul el. kráter. Vizuálisan ez úgy érzékelhető, mint az ív, amely a katód felületén mozog.
Mivel az ív lényegében egy áramvezető, befolyásolható egy elektromágneses tér kifejtésével , amelyet a gyakorlatban az ív katód felülete mentén történő mozgásának szabályozására használnak, hogy biztosítsák annak egyenletes erózióját.
Vákuumívben rendkívül nagy teljesítménysűrűség koncentrálódik a katódfoltokban, ami a keletkező, többszörösen töltött ionokból, semleges részecskékből, klaszterekből (makrorészecskék, cseppek ) álló plazmaáramok magas szintű ionizációját (30-100%) eredményezi. . Ha a párolgás során reaktív gázt vezetnek be a vákuumkamrába, annak a plazmaárammal való kölcsönhatása disszociációjához , ionizációjához és gerjesztéséhez vezethet , majd plazmakémiai reakciók lépnek fel, új kémiai vegyületek képződésével és azok lerakódásával. film (bevonat).
A vákuumíves elpárologtatási folyamat egyik figyelemre méltó nehézsége, hogy ha a katódfolt túl sokáig marad a párolgási ponton, akkor nagy mennyiségű részecske- vagy cseppfázis szabadul fel . Ezek a makrozárványok csökkentik a bevonatok jellemzőit, mivel gyenge a tapadásuk az aljzathoz, és méretükben meghaladhatják a bevonat vastagságát (kinyúlnak a bevonaton). Még rosszabb, ha a célkatód anyaga alacsony olvadáspontú (például alumínium ): ebben az esetben a katódfolt alatti céltárgy átolvadhat, aminek következtében vagy a katódtartó anyaga elkezd olvadni. elpárolog, vagy a katód hűtővíz elkezd befolyni a vákuumkamrába, ami vészhelyzethez vezet.
Ennek a problémának a megoldására valamilyen módon a katódfoltot folyamatosan mozgatják egy nagy és masszív katódon, amely kellően nagy lineáris dimenziókkal rendelkezik. Alapvetően, amint fentebb említettük, mágneses mezőket használnak a katódfoltok mozgásának szabályozására a katód felületén . Ugyanebből a célból hengeres katódok alkalmazásakor működés közben (párolgás) forgó mozgást kaphatnak. Ha nem hagyjuk, hogy a katódfolt túl sokáig egy helyen maradjon, alacsony olvadáspontú fémkatódok használhatók, és csökkenthető a nem kívánt cseppfázis mennyisége.
Egyes cégek úgynevezett szűrt íveket is használnak , amelyekben a makrozárványokat mágneses mezők segítségével választják el a plazmaáramlástól (lásd alább) .
A Sablev által tervezett katódíves forrás (a legelterjedtebb nyugaton) egy rövid masszív, hengeres célkatódból áll, amely elektromosan vezető anyagból készül, és az egyik (munka) végén nyitott. Ezt a katódot egy lebegő potenciálgyűrű ( pajzs ) veszi körül, amely a nem működő felületek ívképződés elleni védelmét szolgálja. Ennek a rendszernek az anódja lehet a vákuumkamra fala vagy egy különálló anód . A katódfoltokat a katód nyitott végén lévő mechanikus kioldó (gyújtó) segítségével az ív beütése okozza a katód és az anód közötti áramkör rövidre zárásával. Az ív begyulladása után a katódfoltok spontán, kaotikusan mozognak a katód nyitott végén, vagy mozgásukat egy külső mágneses tér állítja be.
A katódíves forrásoknak is léteznek többkatódos kialakításai, amelyek lehetővé teszik kombinált többrétegű bevonatok és/vagy összetett összetételű kémiai vegyületekből készült bevonatok felvitelét egyetlen technológiai ciklusban [10] , ahol minden katód felelős a saját leválasztásáért. anyag vagy vegyület az alapján.
Tekintettel arra, hogy a célkatódot aktívan bombázzák a felületéről kilökődő ionok, a katódív forrásból kiáramló plazmaáram általában nem csak egyes atomokat vagy molekulákat tartalmaz , hanem ezek meglehetősen nagy csoportjait is (az ún. -makrorészecskék), amelyek bizonyos esetekben szűrés nélkül akadályozzák a hatékony felhasználását. A makrorészecskék szűrőinek (leválasztóinak) sokféle kialakítása létezik, amelyek közül a legtöbbet tanulmányozott a görbe vonalú plazmavezetővel (csatornával) ellátott kialakítás, I. I. Aksjonov (társszerzőkkel) munkája alapján, amelyet a 70-es években tettek közzé. XX század. Ez egy toroid csatorna negyede, ahol a plazma(ion)optika elveit alkalmazva a plazma áramlását a plazmaforráshoz képest 90°-os szögben elfordítják, aminek következtében semleges vagy gyengén ionizált részecskék, makrorészecskék ülepednek ki. falán anélkül, hogy elérné a munkadarabot.
Vannak más érdekes szűrőkialakítások is, mint például az egyenes csatornás kialakítás beépített katóddal csonka kúp formájában, amelyet D. A. Karpov javasolt a XX. század 90-es éveiben . Ez a kialakítás a mai napig nagyon népszerű mind a vékonyréteg-kopásálló bevonatokat gyártó vállalkozások, mind a volt Szovjetunió országainak kutatói körében. . Vannak kiterjesztett hengeres és téglalap alakú katódokkal ellátott katódíves források is, de ezek kevésbé népszerűek.
A katódos ívleválasztást aktívan használják nagyon kemény kopásálló és védőbevonatok szintézisére a vágószerszám felületén, ami jelentősen meghosszabbítja annak élettartamát. Többek között például a titán-nitrid is népszerű tartós dekoratív „ aranyszerű ” bevonatként. Ezzel a technológiával szuperkemény és nanokompozit bevonatok széles skálája szintetizálható, beleértve a TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN és TiAlSiN bevonatokat .
Ezt a technológiát széles körben használják gyémántszerű szénfilmek lerakódására is . Mivel az ilyen típusú bevonatok lerakása különösen érzékeny a parazita zárványokra (makrorészecskék), ezért a technológiához szükséges berendezésekben szükségszerűen plazmasugaras szűrést alkalmaznak. A szűrt vákuumíves gyémántszerű szénfilm nagyon nagy százalékban tartalmaz gyémánt sp 3 szerkezetet, és tetragonális amorf szénként vagy ta-C néven ismert .
A szűrt vákuumív fémion/plazmaforrásként is használható ionimplantációhoz vagy kombinált plazma merítési ionimplantációhoz bevonat lerakással ( PIII&D ).