Introduzione della deposizione dell'arco catodico
Jan 11, 2018| Cathodic Arc Deposition è un processo su scala industriale ampiamente utilizzato per l'applicazione di rivestimenti di film sottile di alta qualità. Il processo si basa sulla fisica dell'arco catodico a bassa tensione e alta corrente che produce un plasma denso altamente ionizzato. La deposizione dell'arco catodico è caratterizzata da un plasma di deposizione ionizzata quasi al 100% con ioni di deposizione ad alta energia.
La deposizione dell'arco catodico funziona in condizioni di vuoto usando teste di deposizione appositamente progettate. La deposizione dell'arco catodico può essere attivata in modalità DC o pulsata. In entrambi i casi, un alimentatore applica una tensione che produce una scarica ad arco tra un anodo e un catodo. La corrente d'arco è concentrata su una piccola area superficiale sul catodo che crea una densità di corrente estremamente elevata (~ 1012 A / m2) in quelli che sono generalmente chiamati "punti catodici".
Questa elevata densità di corrente è associata a una densità di potenza estremamente elevata (~ 1013 W / m2) che produce una trasformazione di fase localizzata del bersaglio solido (il materiale catodico) a plasma di deposizione quasi completamente ionizzato. Il plasma si espande rapidamente nel vuoto ambientale verso il substrato.
Al momento della deposizione sul substrato, il plasma ha velocità ioniche con energie cinetiche di circa 20 eV per elementi leggeri e 200 eV per elementi pesanti. Questo può essere paragonato allo sputtering, dove l'energia è di pochi eV al massimo.
Ci sono una serie di vantaggi per le energie ioniche superiori associate alla deposizione dell'arco catodico. Ad esempio, i film di deposizione dell'arco catodico tendono ad essere più densi e hanno caratteristiche di adesione migliori rispetto ai film prodotti con altri metodi. Gli atomi depositati penetrano nella superficie, bloccando il rivestimento sulla superficie con elevata adesione.
Gli ioni energetici creati da Cathodic Arc Deposition consentono anche l'uso di temperature inferiori del substrato rispetto ad altri processi. Questo perché gli ioni di deposizione dell'arco catodico trasportano energia sufficiente a formare film densi e compatti senza la necessità di ulteriore energia termica fornita dal substrato.
L'alta frazione di ionizzazione della deposizione dell'arco catodico consente di controllare il materiale di deposizione. Ad esempio, sollecitando il substrato, è possibile aumentare l'energia di impatto degli ioni sul substrato. Il flusso di plasma può anche essere rasterizzato utilizzando campi magnetici, che consente al materiale di deposizione di essere spostato sulla superficie, facendo una media del rivestimento senza spostare il substrato.
Per la deposizione reattiva, Cathodic Arc Deposition consente di produrre film chimicamente accurati su un'ampia gamma di pressioni del gas. Ciò facilita la necessità di un preciso controllo della pressione, che aumenta la resa e riduce le rilavorazioni, riducendo il costo del rivestimento. Al contrario, lo sputtering reattivo soffre comunemente di "avvelenamento da bersaglio", in cui l'ossigeno colpisce la superficie del bersaglio e forma ossidi, influenzando il tasso di polverizzazione. Questo crea problemi di uniformità con il rivestimento. A causa dell'energia associata ai processi di deposizione dell'arco catodico, l'avvelenamento da bersaglio non avviene con la stessa facilità, producendo film più uniformi con meno problemi.
Il processo di deposizione dell'arco catodico produce le cosiddette "macro particelle" (o goccioline) insieme al plasma di deposizione. Le particelle macro variano in dimensioni da meno di un micrometro a circa 10 micrometri di diametro. Per molte applicazioni di rivestimento (ad esempio rivestimenti di strumenti), le particelle macro non sono dannose e non vengono prese misure per eliminarle. Tuttavia, per alcune applicazioni (ad esempio rivestimenti ottici), le macro degradano il rivestimento in misura sufficiente da rimuoverle. Ciò è generalmente ottenuto utilizzando filtri magnetici a 90 gradi che guidano il plasma di deposizione lontano dalle traiettorie diritte delle macro. Utilizzando un filtro, viene rimosso oltre il 99% delle macro, producendo rivestimenti di alta qualità senza particelle.
