कैथोडिक चाप जमाव

कैथोडिक आर्क निक्षेपण या Arc-PVD एक भौतिक वाष्प निक्षेपण प्रविधि है जिसमें एक विद्युत आर्क का उपयोग कैथोड टार्गेट से सामग्री को वाष्पित करने के लिए किया जाता है। वाष्पीकृत सामग्री तब एक पतली फिल्म बनाने, एक सब्सट्रेट पर द्रवित होती है। प्रविधि का उपयोग धातु, सिरेमिक और समग्र फिल्मों को निक्षेप करने के लिए किया जा सकता है।

इतिहास

1960-1970 के निकट सोवियत संघ में आधुनिक कैथोडिक आर्क निक्षेपण प्रविधि का औद्योगिक उपयोग शुरू हुआ। 70 के दशक के अंत तक, सोवियत सरकार ने इस प्रविधि को पश्चिम में जारी कर दिया था। उस समय USSR में बहुत सी डिजाइनों में से एल.पी.सबलेव, एट अल. द्वारा डिजाइन को USSR के बाहर उपयोग करने की अनुमति दी गई थी |

प्रक्रिया

आर्क वाष्पीकरण प्रक्रिया एक कैथोड (जिसे टार्गेट के रूप में जाना जाता है) की सतह पर एक उच्च धारा, कम वोल्टेज आर्क के स्ट्रीकिंग से शुरू होती है जो एक छोटे (आमतौर पर कुछ सूक्ष्ममापी बड़े), बहुत अधिक ऊर्जावान उत्सर्जक क्षेत्र को कैथोड बिन्दु के रूप में जाना जाता है। कैथोड बिन्दु पर स्थानगत तापमान बहुत उच्च (लगभग 15000 °C) होता है, जिसके परिणामस्वरूप वाष्पीकृत कैथोड सामग्री का एक उच्च वेग (10 km/s) जेट होता है, जिससे कैथोड की सतह पर एक ज्वालामुख (क्रेटर) बन जाता है। कैथोड बिन्दु केवल कुछ समय के लिए सक्रिय होता है, फिर यह पूर्व ज्वालामुखी के समीप में एक नए क्षेत्र में स्वयं समाप्त हो जाता है और फिर से प्रदीप्त होता है। यह गतिविधि आर्क की आभासी गति का कारण बनती है।

चूंकि आर्क मूल रूप से एक धारा ले जाने वाला चालक है, इसे वैद्युतचुंबकीय क्षेत्र के अनुप्रयोग से प्रभावित किया जा सकता है, जो अभ्यास में टारगेट की संपूर्ण सतह पर आर्क को तेजी से स्थानांतरित करने के लिए उपयोग किया जाता है, ताकि समय के साथ पूर्ण सतह एरोडेड हो।

आर्क में अत्यधिक उच्च शक्ति घनत्व होता है जिसके परिणामस्वरूप उच्च स्तर के आयनीकरण (30-100%), कई चार्ज किए गए आयन, उदासीन कण, क्लस्टर और मैक्रो-कण (बिन्दुक) होते हैं। यदि वाष्पीकरण प्रक्रिया के दौरान एक प्रतिक्रियाशील गैस प्रस्तुत की जाती है, तो आयन फ्लक्स के साथ अन्योन्यक्रिया के दौरान वियोजन, आयनीकरण और उत्तेजना हो सकती है और एक यौगिक फिल्म निक्षेपित की जाएगी।

आर्क वाष्पीकरण प्रक्रिया का एक नकारात्मक भाग (डाउनसाइड) यह है कि यदि कैथोड बिन्दु बहुत लंबे समय तक वाष्पीकरण बिंदु पर रहता है तो यह बड़ी मात्रा में मैक्रो-कणों या बिन्दुकों को इजेक्ट कर सकता है। ये बिन्दुक विलेपन के निष्पादन के लिए अनिष्टकारी हैं क्योंकि वे असाधारण तरीके से पालन करते हैं और विलेपन के माध्यम से विस्तारित हो सकते हैं। इससे भी अनुपयुक्त यदि कैथोड टारगेट सामग्री में कम गलनांक होता है जैसे कि एल्यूमीनियम कैथोड बिन्दु टारगेट के माध्यम से वाष्पित हो सकता है जिसके परिणामस्वरूप या तो टारगेट बैकिंग प्लेट सामग्री वाष्पित हो जाती है या शीतल जल कक्ष में प्रवेश कर जाता है। इसलिए, आर्क की गति को नियंत्रित करने के लिए पहले बताए गए चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग किया जाता है। यदि बेलनाकार कैथोड का उपयोग किया जाता है तो कैथोड को निक्षेपण के दौरान भी घुमाया जा सकता है। कैथोड बिन्दु को एक स्थिति में नहीं रहने देने से बहुत लंबे समय तक एल्यूमीनियम टारगेट का उपयोग किया जा सकता है और बिन्दुकों की संख्या कम हो जाती है। कुछ कंपनियां फिल्टरित आर्क्स का भी उपयोग करती हैं जो विलेपन फ्लक्स से बिन्दुकों को पृथक करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करती हैं।

उपकरण डिज़ाइन

आर्क बिन्दु की गतिविधि को नियंत्रित करने के लिए चुम्बक के साथ सबलेव प्रकार के कैथोडिक आर्क स्रोत

एक सब्लेव प्रकार का कैथोडिक आर्क स्रोत, जो पश्चिम में सबसे अधिक व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, जिसमे एक विवृत सिरे के साथ कैथोड पर एक छोटा बेलनीय आकार, विद्युत चालकीय टारगेट होता है। इस टारगेट के चारों ओर एक विद्युत फ्लोटिंग धातु का वलय है, जो एक आर्क परिरोधन के वलय (स्ट्रेल'निटस्कीज शील्ड) के रूप में कार्य करता है। तंत्र के लिए एनोड या तो निर्वात कक्ष की दीवार या विविक्त एनोड हो सकता है। आर्क बिन्दु कैथोड और एनोड के मध्य एक अस्थायी लघु परिपथ बनाने वाले टारगेट के विवृत सिरे पर एक यांत्रिक ट्रिगर (या इग्नाइटर) द्वारा उत्पन्न होते हैं। आर्क बिन्दु उत्पन्न होने के बाद उन्हें चुंबकीय क्षेत्र द्वारा संचालित किया जा सकता है, या चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में यादृच्छिक रूप से स्थानांतरित किया जा सकता है।

अक्सेनोव क्वार्टर-टोरस डक्ट मैक्रो कण फ़िल्टर प्लाज्मा प्रकाशीय सिद्धांतों का उपयोग करते हुए जिसे ए.आई. मोरोज़ोव द्वारा विकसित किया गया था

कैथोडिक आर्क स्रोत से प्लाज्मा बीम में परमाणुओं या अणुओं (अभिकथित मैक्रो-कण) के कुछ बड़े समूह होते हैं, जो इसे बिना किसी प्रकार के फ़िल्टर के कुछ अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी होने से रोकते हैं।

मैक्रो-कण फिल्टर के लिए बहुत डिज़ाइन हैं और 70 के दशक में सबसे अधिक अध्ययन किया गया डिज़ाइन आई. आई. अक्सेनोव एट अल. के काम पर आधारित है। इसमें आर्क स्रोत से 90 डिग्री पर एक क्वार्टर-टोरस डक्ट बेंट होता है और प्लाज्मा प्रकाशिकी के सिद्धांत द्वारा प्लाज्मा को डक्ट से बाहर निर्देशित किया जाता है।

1990 के दशक में डी. ए. कारपोव द्वारा रिपोर्ट के अनुसार, अन्य आकर्षक डिज़ाइन भी हैं, जैसे कि एक डिज़ाइन जिसमें एक छोटे शंकु के आकार के कैथोड के साथ बनाया गया एक सीधा डक्ट फ़िल्टर सम्मिलित है। यह डिज़ाइन अब तक रूस और पूर्व यूएसएसआर देशों में पतले हार्ड-फिल्म कोटर्स और शोधकर्ताओं दोनों के मध्य बाहुल्य रूप से प्रचलित हुआ है। कैथोडिक आर्क स्रोतों को एक लंबे ट्यूबलर आकार (विस्तृत-आर्क) या एक लंबे आयताकार आकार में बनाया जा सकता है, लेकिन दोनों डिज़ाइन कम प्रचलित हैं।

अनुप्रयोग

कैथोडिक आर्क निक्षेपण प्रविधि का उपयोग करके टाइटेनियम नाइट्राइड (TiN) विलेपित पंच

कैथोडिक आर्क निक्षेपण प्रविधि का उपयोग कर एल्यूमीनियम टाइटेनियम नाइट्राइड (AlTiN) विलेपित एंडमिल्स

कैथोडिक आर्क निक्षेपण प्रविधि का उपयोग करके एल्यूमीनियम क्रोमियम टाइटेनियम नाइट्राइड (AlCrTiN) विलेपित हॉब

कटिंग के उपकरणों की सतह की रक्षा करने और उनके जीवन को महत्वपूर्ण रूप से विस्तृत करने के लिए कैथोडिक आर्क निक्षेपण सक्रिय रूप से बहुत कठोर फिल्मों को संश्लेषित करने के लिए उपयोग किया जाता है। TiN, TiAlN, CrN, ZrN, AlCrTiN और TiAlSiN सहित इस प्रविधि द्वारा पतली कठोर-फिल्म, अति कठोर विलेपन और नैनोकंपोजिट विलेपन की एक विस्तृत वैराइटी को संश्लेषित किया जा सकता है।

यह विशेष रूप से कार्बन आयन निक्षेपण के लिए हीरे जैसी कार्बन फिल्मों को बनाने के लिए भी बहुत व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। क्योंकि आयनों को बैलिस्टिक रूप से सतह से नष्ट किया जाता है, यह न केवल एकल परमाणुओं के लिए, अधिक उचित रूप से परमाणुओं के बड़े समूहों को निष्काषित करने के लिए सामान्य है। इस प्रकार, इस तरह की प्रणाली को निक्षेपण से पहले बीम से परमाणु समूहों को पृथक करने के लिए एक फिल्टर की आवश्यकता होती है। फिल्टरित-आर्क से DLC फिल्म में sp³ का बहुत उच्च प्रतिशत होता है जिसे चतुष्फलकीय अक्रिस्टलीय कार्बन या ta-C के रूप में जाना जाता है।

फिल्टरित किए गए कैथोडिक आर्क का उपयोग धातु आयन/प्लाज्मा स्रोत के रूप में आयन रोपण और प्लाज्मा निमज्जन आयन रोपण और निक्षेपण (PIII&D) के लिए किया जा सकता है।

यह भी देखें

• आयन बीम निक्षेपण
• भौतिक रूप से वाष्प का निक्षेपण

संदर्भ

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