El recubrimiento por arco de vacío (deposición por arco de cátodo) es un método físico de recubrimiento ( películas delgadas ) al vacío , mediante la condensación en un material de sustrato (producto, pieza) a partir de flujos de plasma generados en un cátodo objetivo en el punto del cátodo de un alto descarga de arco de vacío de bajo voltaje actual que se desarrolla exclusivamente en los vapores del material del electrodo [1] .
El método se utiliza para aplicar películas de metal, cerámica y compuestos a varios productos.
El método también se conoce con los nombres: deposición de arco de cátodo ( ing. Arc-PVD ), método CIB - bombardeo de iones de cátodo o, en otras palabras, el método de condensación de materia de la fase de plasma en vacío con bombardeo de iones de la superficie [2] (este último es el nombre original del autor de los creadores del método). También se conocen los nombres "pulverización iónica-plasma", "condensación con bombardeo iónico".
El uso industrial de las modernas tecnologías de arco de vacío se origina en la URSS . Por primera vez, uno de los equipos de investigación del Instituto de Física y Tecnología de Kharkov (KIPT) inició la investigación y el desarrollo sistemáticos del método y el equipo de arco de vacío con el objetivo de adaptarlos a las condiciones de la producción industrial . finales de los años 60 del siglo XX [3] (y continúan hasta el presente).tiempo [4] ).
En 1976-1980, comenzó el desarrollo de técnicas y tecnologías para aplicar varios recubrimientos endurecedores y protectores mediante el método de arco al vacío. Las instalaciones desarrolladas en KIPT para la aplicación de dichos recubrimientos, y que dieron lugar a una amplia aplicación industrial del método, se denominaron "Bulat" [5] . La instalación estaba protegida por cinco patentes extranjeras en EE. UU., Gran Bretaña, Francia, Alemania, Japón e Italia en relación con las negociaciones en curso en ese momento para vender la licencia .
A finales de los años 70 del siglo XX, el gobierno soviético decidió abrir esta tecnología a Occidente. En 1979, H. Joseph Filner [6] , máximo responsable de la empresa americana Noblemet International [7] , accidentalmente conoció esta tecnología durante su viaje de negocios a la URSS, viendo allí su eficaz y exitosa aplicación en la industria del temple de metales . herramientas de corte Como resultado, esta empresa firmó un acuerdo de licencia con el gobierno de la URSS y, junto con otros inversores para la implementación industrial en Occidente, creó especialmente la empresa "Multi-Arc Vacuum Systems" (o "MAVS" ), cuyo anual los ingresos crecieron de cero en dos años hasta 5 millones de dólares estadounidenses [8] . Multi -Arc obtuvo una licencia exclusiva para equipos y tecnología para la deposición de recubrimientos de TiN en herramientas de corte fabricadas con aceros rápidos. El territorio del acuerdo fue más de 40 países de América del Norte, Europa y Asia.
En 1981 se firmó un contrato de licencia con VTP "Polytechna" ( Checoslovaquia ) para la venta de tecnología para el temple de herramientas de corte por el método CIB.
En 1980-1985 se patentaron mejoras en la instalación de Bulat, cedida bajo licencia. Se obtuvieron salvaguardas para 36 patentes en 15 países [9] .
De los varios diseños de fuentes de plasma de arco catódico, el dispositivo principal que lleva a cabo la evaporación e ionización del material catódico en un arco de vacío, que existían en la URSS en ese momento, el diseño de L.P. Sablev (con coautores) se permitió su uso fuera de la URSS .
El proceso de evaporación por arco de vacío comienza con la ignición de un arco de vacío (caracterizado por alta corriente y bajo voltaje ), que forma en la superficie del cátodo (objetivo) uno o más puntos (tamaños desde unas pocas micras hasta decenas de micras) zonas de emisión (los llamados "puntos catódicos"), en los que se concentra toda la potencia de descarga. La temperatura local del punto del cátodo es extremadamente alta (alrededor de 15000 °C ), lo que provoca una intensa evaporación e ionización del material del cátodo en ellos y la formación de flujos de plasma de alta velocidad (hasta 10 km/s ) que se propagan desde el cátodo. lugar en el espacio circundante. Existe una mancha de cátodo separada solo por un período de tiempo muy corto ( microsegundos ), dejando un microcráter característico en la superficie del cátodo, luego se autoextingue y una nueva mancha de cátodo se inicia automáticamente en una nueva área en el cátodo cerca de la anterior. cráter. Visualmente, esto se percibe como el movimiento del arco a lo largo de la superficie del cátodo.
Dado que el arco es esencialmente un conductor con corriente, puede verse influenciado por la imposición de un campo electromagnético , que se utiliza en la práctica para controlar el movimiento del arco a lo largo de la superficie del cátodo, para garantizar su erosión uniforme.
En un arco de vacío, una densidad de potencia extremadamente alta se concentra en los puntos del cátodo, lo que resulta en un alto nivel de ionización (30-100 %) de los flujos de plasma resultantes, que consisten en iones de carga múltiple, partículas neutras, grupos (macropartículas, gotas ) . Si se introduce un gas reactivo en la cámara de vacío durante la evaporación, su interacción con el flujo de plasma puede conducir a su disociación , ionización y excitación , seguido de reacciones plasma-químicas con la formación de nuevos compuestos químicos y su deposición en forma de un recubrimiento de película).
Una dificultad notable en el proceso de evaporación por arco de vacío es que si el punto del cátodo permanece en el punto de evaporación durante demasiado tiempo, emitirá una gran cantidad de partículas o gotas . Estas macroinclusiones reducen las características de los recubrimientos, ya que tienen una mala adherencia al sustrato y pueden exceder en tamaño el espesor del recubrimiento (sobresalir a través del recubrimiento). Es aún peor si el material del cátodo objetivo tiene un punto de fusión bajo (por ejemplo, aluminio ): en este caso, el objetivo debajo del punto del cátodo puede derretirse, como resultado de lo cual el material del soporte del cátodo comienza a derretirse. evaporarse, o el agua de enfriamiento del cátodo comienza a fluir hacia la cámara de vacío, lo que provoca una emergencia.
Para resolver este problema, de una forma u otra, la mancha del cátodo se mueve continuamente a lo largo de un cátodo grande y macizo, que tiene dimensiones lineales suficientemente grandes. Básicamente, como se mencionó anteriormente, los campos magnéticos se utilizan para controlar el movimiento de los puntos del cátodo sobre la superficie del cátodo . Con el mismo propósito, cuando se utilizan cátodos cilíndricos, durante la operación (evaporación) se les puede dar un movimiento de rotación. Al no permitir que la mancha del cátodo permanezca en un lugar durante demasiado tiempo, se pueden usar cátodos de metal de bajo punto de fusión y se puede reducir la cantidad de fase de gota no deseada.
Algunas empresas también utilizan los llamados arcos filtrados , en los que las macroinclusiones se separan del flujo de plasma mediante campos magnéticos (ver más abajo) .
La fuente de arco de cátodo diseñada por Sablev (la más común en Occidente) consta de un cátodo objetivo cilíndrico masivo corto hecho de un material conductor de electricidad y abierto en un extremo (de trabajo). Este cátodo está rodeado por un anillo de potencial flotante ( escudo ), que sirve para proteger las superficies que no funcionan de la formación de arcos. El ánodo de este sistema puede ser la pared de la cámara de vacío o un ánodo separado . Los puntos del cátodo se inician golpeando el arco usando un disparador mecánico (encendedor) en el extremo abierto del cátodo al cortocircuitar el circuito entre el cátodo y el ánodo. Después de la ignición del arco, los puntos del cátodo se mueven caóticamente espontáneamente a lo largo del extremo abierto del cátodo o su movimiento se establece por medio de un campo magnético externo.
También existen diseños multicátodos de fuentes de arco catódico que permiten aplicar recubrimientos multicapa combinados y/o recubrimientos a partir de compuestos químicos de composición compleja en un solo ciclo tecnológico [10] , donde cada cátodo es responsable de depositar el suyo propio . material o compuesto basado en él.
Debido al hecho de que el cátodo objetivo es bombardeado activamente por iones expulsados de su superficie, en el caso general, el flujo de plasma de la fuente de arco catódico contiene no solo átomos o moléculas individuales , sino también grupos bastante grandes de ellos (el así -llamadas macropartículas), que en algunos casos sin ningún filtrado interfieren en su uso eficiente. Hay muchos diseños diferentes de filtros (separadores) de macropartículas, el más estudiado de los cuales es el diseño con una guía (canal) de plasma curvilínea, basado en el trabajo de I. I. Aksyonov (con coautores), publicado en los años 70 del s. siglo XX. Es un cuarto de un canal toroidal, donde, utilizando los principios de la óptica de plasma (ion), el flujo de plasma se gira en un ángulo de 90 ° con respecto a la fuente de plasma, como resultado de lo cual se depositan partículas y macropartículas neutras o débilmente ionizadas. en sus paredes sin llegar a la pieza de trabajo.
También existen otros diseños de filtros interesantes, como, por ejemplo, un diseño de canal recto con un cátodo incorporado en forma de cono truncado, propuesto por D. A. Karpov en los años 90 del siglo XX. . Este diseño, hasta el día de hoy, es bastante popular tanto entre las empresas que producen recubrimientos resistentes al desgaste de película delgada como entre los investigadores en los países de la antigua URSS. . También hay fuentes de arco catódico con cátodos cilíndricos y rectangulares extendidos, pero son menos populares.
La deposición por arco catódico se utiliza activamente para la síntesis de recubrimientos protectores y resistentes al desgaste muy duros en la superficie de una herramienta de corte, lo que prolonga significativamente su vida útil. Entre otras cosas, por ejemplo, el nitruro de titanio también es popular como un recubrimiento duradero decorativo "similar al oro ". Con esta tecnología, se puede sintetizar una amplia gama de recubrimientos superduros y nanocompuestos, incluidos TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN y TiAlSiN .
Además, esta tecnología se usa ampliamente para la deposición de películas de carbono tipo diamante . Dado que la deposición de recubrimientos de este tipo es particularmente sensible a las inclusiones parásitas (macropartículas), la filtración por haz de plasma se utiliza necesariamente en los equipos de esta tecnología. La película de carbono tipo diamante de arco de vacío filtrada contiene un porcentaje muy alto de estructura sp 3 de diamante y se conoce como carbono amorfo tetragonal o ta-C .
El arco de vacío filtrado también se puede utilizar como fuente de iones metálicos/plasma para la implantación de iones o la implantación combinada de iones de inmersión de plasma con deposición de recubrimiento ( PIII&D ).