Acoperirea cu arc de vid (depunerea cu arc catodic) este o metodă fizică de acoperire ( filme subțiri ) în vid , prin condensarea pe un substrat (produs, parte) material din fluxurile de plasmă generate pe un catod țintă în punctul catod al unui descărcare curentă de arc de vid de joasă tensiune care se dezvoltă exclusiv în vaporii materialului electrodului [1] .
Metoda este utilizată pentru aplicarea unor filme metalice, ceramice și compozite pe diverse produse.
Metoda este cunoscută și sub denumirile: depunerea catodic-arc ( ing. Arc-PVD ), metoda CIB - bombardament catodic-ion sau, altfel spus, metoda de condensare a materiei din faza de plasmă în vid cu bombardament ionic de suprafața [2] (cel din urmă este originalul numele autorului creatorilor metodei). Sunt cunoscute și denumirile „pulverizare ion-plasmă”, „condensare cu bombardament ionic”.
Utilizarea industrială a tehnologiilor moderne cu arc de vid își are originea în URSS . Pentru prima dată, cercetarea și dezvoltarea sistematică a metodei și echipamentelor cu arc de vid cu scopul de a le adapta la condițiile de producție industrială au fost începute de una dintre echipele de cercetare ale Institutului de Fizică și Tehnologie Harkov (KIPT) din nou în sfârşitul anilor '60 ai secolului XX [3] (și continuă până în prezent ). timp [4] ).
În anii 1976-1980 a început dezvoltarea tehnicilor și tehnologiilor de aplicare a diferitelor acoperiri de întărire și protecție prin metoda arcului de vid. Instalațiile dezvoltate la KIPT pentru aplicarea unor astfel de acoperiri, și care au dat naștere unei ample aplicații industriale a metodei, au fost numite „Bulat” [5] . Instalația a fost protejată de cinci brevete străine în SUA, Marea Britanie, Franța, Germania, Japonia, Italia în legătură cu negocierile în curs de desfășurare la acel moment pentru vânzarea licenței .
La sfârșitul anilor 70 ai secolului XX, guvernul sovietic a decis să deschidă această tehnologie către Occident. În 1979, H. Joseph Filner [6] , șeful companiei americane Noblemet International [7] , a aflat accidental despre această tehnologie în timpul călătoriei sale de afaceri în URSS, văzând acolo aplicarea ei eficientă și de succes în industrie pentru călirea metalelor . scule de tăiere . Drept urmare, această companie a semnat un acord de licență cu guvernul URSS și, împreună cu alți investitori pentru implementarea industrială în Occident, a creat special compania „Multi-Arc Vacuum Systems” (sau „MAVS” ), a cărei anual venitul a crescut de la zero în doi ani până la 5 milioane de dolari SUA [8] . Multi -Arc a primit o licență exclusivă pentru echipamente și tehnologie pentru depunerea de acoperiri TiN pe scule de tăiere din oțeluri de mare viteză. Teritoriul acordului a fost de peste 40 de țări din America de Nord, Europa și Asia.
În 1981, a fost semnat un acord de licență cu VTP „Polytechna” ( Cehoslovacia ) pentru vânzarea tehnologiei pentru călirea sculelor de tăiere folosind metoda CIB.
În anii 1980-1985, au fost brevetate îmbunătățiri ale instalației Bulat, transferate sub licență. Au fost obținute garanții pentru 36 de brevete în 15 țări [9] .
Dintre mai multe modele de surse de plasmă cu arc catodic - principalul dispozitiv care efectuează evaporarea și ionizarea materialului catodic într-un arc de vid - care existau în URSS la acea vreme, proiectarea lui L.P. Sablev (cu co-autori) a fost permis pentru utilizare în afara URSS .
Procesul de evaporare cu arc de vid începe cu aprinderea unui arc de vid (caracterizat prin curent mare și tensiune scăzută ), care formează pe suprafața catodului (țintă) unul sau mai multe puncte (dimensiuni de la câțiva microni la zeci de microni) zone de emisie (așa-numitele „pete catodice”), în care este concentrată întreaga putere de descărcare. Temperatura locală a spotului catodic este extrem de ridicată (aproximativ 15000 °C ), ceea ce determină evaporarea intensă și ionizarea materialului catodic din ele și formarea de fluxuri de plasmă de mare viteză (până la 10 km/s ) care se propagă de la catod. spot în spațiul înconjurător. Un punct catodic separat există doar pentru o perioadă foarte scurtă de timp ( microsecunde ), lăsând un microcrater caracteristic pe suprafața catodului, apoi se autostinge și un nou punct catodic se auto-inițiază într-o nouă zonă a catodului apropiată de cea precedentă. crater. Vizual, acesta este perceput ca arcul care se deplasează de-a lungul suprafeței catodului.
Deoarece arcul este în esență un conductor cu curent, acesta poate fi influențat de impunerea unui câmp electromagnetic , care este utilizat în practică pentru a controla mișcarea arcului de-a lungul suprafeței catodului, pentru a asigura eroziunea sa uniformă.
Într-un arc de vid, o densitate de putere extrem de mare este concentrată în punctele catodice, rezultând un nivel ridicat de ionizare (30-100%) a fluxurilor de plasmă rezultate, constând din ioni cu încărcare multiplă, particule neutre, clustere (macroparticule, picături ) . Dacă un gaz reactiv este introdus în camera de vid în timpul evaporării, interacțiunea acestuia cu fluxul de plasmă poate duce la disociere , ionizare și excitare a acestuia , urmate de reacții chimice plasmatice cu formarea de noi compuși chimici și depunerea acestora sub formă de film (acoperire).
O dificultate notabilă în procesul de evaporare cu arcul de vid este că, dacă pata catodului rămâne prea mult timp la punctul de evaporare, va emite o cantitate mare de fază de particule sau picături . Aceste macroincluziuni reduc caracteristicile acoperirilor, deoarece au aderență slabă la substrat și pot depăși grosimea stratului de acoperire ca dimensiune (proemină prin acoperire). Este și mai rău dacă materialul catodic țintă are un punct de topire scăzut (de exemplu, aluminiu ): în acest caz, ținta de sub pata catodului se poate topi, drept urmare fie materialul suportului catodic începe să fie se evaporă sau apa de răcire a catodului începe să curgă în camera de vid, ceea ce duce la o urgență.
Pentru a rezolva această problemă, într-un fel sau altul, spotul catodic este deplasat continuu de-a lungul unui catod mare și masiv, care are dimensiuni liniare suficient de mari. Practic, așa cum s-a menționat mai sus, câmpurile magnetice sunt folosite pentru a controla mișcarea petelor catodice pe suprafața catodului . În același scop, atunci când se folosesc catozi cilindrici, în timpul funcționării (evaporării) li se poate da mișcare de rotație. Făcând ca spotul catodului să rămână prea mult timp într-un singur loc, se pot utiliza catozi metalici cu punct de topire scăzut și se poate reduce cantitatea de fază de picătură nedorită.
Unele companii folosesc, de asemenea, așa-numitele arcuri filtrate , în care macro-incluziunile sunt separate de fluxul de plasmă folosind câmpuri magnetice (vezi mai jos) .
Sursa catod-arc proiectată de Sablev (cea mai comună în Occident) constă dintr-un catod țintă cilindric masiv, scurt, realizat dintr-un material conductiv electric și deschis la un capăt (de lucru). Acest catod este înconjurat de un inel de potențial plutitor ( scut ), care servește la protejarea suprafețelor care nu funcționează împotriva arcului. Anodul pentru acest sistem poate fi fie peretele camerei de vid, fie un anod separat . Punctele catodice sunt inițiate prin lovirea arcului folosind un declanșator mecanic (aprindere) la capătul deschis al catodului prin scurtcircuitarea circuitului dintre catod și anod. După aprinderea arcului, punctele catodice se deplasează spontan haotic de-a lungul capătului deschis al catodului sau mișcarea lor este stabilită prin intermediul unui câmp magnetic extern.
Există, de asemenea, modele multi-catodice ale surselor catodice-arc care fac posibilă aplicarea de acoperiri multistrat combinate și/sau acoperiri din compuși chimici de compoziție complexă într-un singur ciclu tehnologic [10] , în care fiecare catod este responsabil pentru depunerea propriului său material sau compus pe baza acestuia.
Datorită faptului că catodul țintă este bombardat în mod activ de ioni ejectați de pe suprafața sa, în cazul general, fluxul de plasmă din sursa arcului catodic conține nu numai atomi sau molecule individuali , ci și grupuri destul de mari ale acestora (deci -numite macroparticule), care în unele cazuri fără nicio filtrare interferează cu utilizarea eficientă a acestuia. Există multe modele diferite de filtre (separatoare) de macroparticule, dintre care cel mai studiat este designul cu un ghid de plasmă curbiliniu (canal), bazat pe munca lui I. I. Aksyonov (cu co-autori), publicată în anii '70 ai secolul XX. Este un sfert de canal toroidal, unde, folosind principiile opticii plasmatice (ionice), fluxul de plasmă este rotit la un unghi de 90° față de sursa de plasmă, în urma căruia se depun particule și macroparticule neutre sau slab ionizate. pe pereții săi fără a ajunge la piesa de prelucrat.
Există și alte modele de filtre interesante, cum ar fi, de exemplu, un design cu canal drept cu un catod încorporat sub formă de trunchi de con, propus de D. A. Karpov în anii 90 ai secolului XX. . Acest design, până în prezent, este destul de popular atât în rândul întreprinderilor care produc acoperiri rezistente la uzură cu peliculă subțire, cât și în rândul cercetătorilor din țările fostei URSS. . Există, de asemenea, surse cu arc catodic cu catozi cilindrici și dreptunghiulari extinși, dar sunt mai puțin populare.
Depunerea cu arc catodic este utilizată în mod activ pentru sinteza straturilor foarte dure rezistente la uzură și de protecție pe suprafața unei scule de tăiere, ceea ce prelungește semnificativ durata de viață a acesteia. Printre altele, de exemplu, nitrura de titan este , de asemenea, populară ca acoperire decorativă durabilă „ asemănătoare aurului ”. Folosind această tehnologie, o gamă largă de acoperiri superdure și nanocompozite pot fi sintetizate, inclusiv TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN și TiAlSiN .
De asemenea, această tehnologie este utilizată pe scară largă pentru depunerea filmelor de carbon asemănătoare diamantului . Deoarece depunerea de acoperiri de acest tip este deosebit de sensibilă la incluziunile parazite (macroparticule), filtrarea cu fascicul de plasmă este în mod necesar utilizată în echipamentele pentru această tehnologie. Filmul de carbon filtrat cu arc de vid asemănător diamantului conține un procent foarte mare de structură sp 3 diamant și este cunoscut sub numele de carbon amorf tetragonal sau ta-C .
Arcul de vid filtrat poate fi, de asemenea, utilizat ca sursă de ioni metalici/plasmă pentru implantarea ionică sau implantarea combinată de ioni cu imersiune în plasmă cu depunerea de acoperire ( PIII&D ).