कैथोडिक चाप जमाव

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

इतिहास
1960-1970 के आस-पास सोवियत संघ में आधुनिक कैथोडिक आर्क निक्षेपण तकनीक का औद्योगिक उपयोग शुरू हुआ था। 70 के दशक के अंत तक, सोवियत सरकार ने तकनीक को पश्चिम में जारी कर दिया था। उस समय USSR में कई प्रारूपों में से एल.पी.सबलेव, एट अल. द्वारा प्रारूप को USSR के बाहर उपयोग करने की अनुमति दी गई थी |

प्रक्रम
आर्क वाष्पीकरण प्रक्रम एक कैथोड (जिसे टार्गेट के रूप में जाना जाता है) की सतह पर एक उच्च धारा, निम्न वोल्टेज आर्क के प्रहार से शुरू होता 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 स्थानीयकृत 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 पास में एक नए क्षेत्र में स्वयं बुझ जाता है और फिर से प्रज्वलित होता है। यह व्यवहार आर्क की आभासी गति का कारण बनता 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 कार्यप्रणाली में टारगेट की संपूर्ण सतह पर आर्क को तेजी से स्थानांतरित करने के लिए उपयोग किया जाता है, ताकि समय के साथ संपूर्ण सतह अपरदित (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, गुच्छ और मैक्रो-कण (बिन्दुक) होते हैं। यदि वाष्पीकरण प्रक्रम के दौरान एक प्रतिक्रियाशील गैस प्रस्तुत की जाती है, तो आयन फ्लक्स के साथ अन्योन्यक्रिया के दौरान वियोजन, आयनीकरण और उत्तेजन हो सकती है और एक यौगिक फिल्म निक्षेपित की जाएगी।

आर्क वाष्पीकरण प्रक्रम का एक नकारात्मक पक्ष (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 हानिकारक हैं क्योंकि वे अपर्याप्त तरीके से पालन करते हैं और विलेपन के माध्यम से फैल सकते हैं। इससे भी खराब 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 निस्यंदित आर्क्स का भी उपयोग करती हैं जो विलेपन फ्लक्स से बिन्दुकों को पृथक करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करती हैं।

उपस्कर प्रारुप
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-अस्थिर 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।

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 निष्यंदन के कुछ अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी होने से रोकते हैं। मैक्रो-कण फिल्टर के लिए कई प्रारुप हैं और 70 के दशक में सबसे अधिक अध्ययन किया गया प्रारुप आई. आई. अक्सेनोव एट अल. के काम पर आधारित है। इसमें आर्क स्रोत से 90 डिग्री पर एक क्वार्टर-टोरस डक्ट बंकित (बेंट) हुआ 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 प्रारुप भी हैं, जैसे कि एक प्रारुप जिसमें एक छोटे शंकु के आकार के कैथोड के साथ बनाया गया एक ऋजु डक्ट फ़िल्टर सम्मिलित है। यह प्रारुप अब तक रूस और पूर्व यूएसएसआर देशों में पतले हार्ड-फिल्म कोटर्स और शोधकर्ताओं दोनों के बीच पर्याप्त रूप से लोकप्रिय हुआ है। कैथोडिक आर्क स्रोतों को एक लंबे ट्यूबलर आकार (विस्तृत-आर्क) या एक लंबे आयताकार आकार में बनाया जा सकता है, लेकिन दोनों प्रारुप कम लोकप्रिय हैं।

अनुप्रयोग
कटिंग के औजारों की सतह की रक्षा करने और उनके जीवन को महत्वपूर्ण रूप से विस्तृत करने के लिए कैथोडिक आर्क निक्षेपण सक्रिय रूप से अत्यंत कठोर फिल्मों को संश्लेषित करने के लिए उपयोग किया जाता है। TiN, TiAlN, CrN, ZrN, AlCrTiN और TiAlSiN सहित इस तकनीक 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 काफी 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, बल्कि 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 के लिए एक फिल्टर की आवश्यकता होती है। निस्यंदित-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।

निस्यंदित 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

 * SVC "51st Annual Technical Conference Proceedings" (2008) Society of Vacuum Coaters, ISSN 0737-5921 (previous proceedings available on CD from SVC Publications)
 * A. Anders, "Cathodic Arcs: From Fractal Spots to Energetic Condensation" (2008) Springer, New York.
 * R. L. Boxman, D. M. Sanders, and P. J. Martin (editors) "Handbook of Vacuum Arc Science and Technology"(1995) Noyes Publications, Park Ridge, N.J.
 * Brown, I.G., Annu. Rev. Mat. Sci. 28, 243 (1998).
 * Sablev et al., US Patent #3,783,231, 01 Jan. 1974
 * Sablev et al., US Patent #3,793,179, 19 Feb. 1974
 * D. A. Karpov, "Cathodic arc sources and macroparticle filtering", Surface and Coatings technology 96 (1997) 22-23
 * S. Surinphong, "Basic Knowledge about PVD Systems and Coatings for Tools Coating" (1998), in Thai language
 * A. I. Morozov, Reports of the Academy of Sciences of the USSR, 163 (1965) 1363, in Russian language
 * I. I. Aksenov, V. A. Belous, V. G. Padalka, V. M. Khoroshikh, "Transport of plasma streams in a curvilinear plasma-optics system", Soviet Journal of Plasma Physics, 4 (1978) 425
 * https://www.researchgate.net/publication/273004395_Arc_source_designs
 * https://www.researchgate.net/publication/234202890_Transport_of_plasma_streams_in_a_curvilinear_plasma-optics_system