La deposición por arco catódico o Arc-PVD es una técnica de deposición física de vapor en la que se utiliza un arco eléctrico para vaporizar material de un objetivo catódico . El material vaporizado se condensa luego sobre un sustrato y forma una película fina . La técnica se puede utilizar para depositar películas metálicas , cerámicas y compuestas .
El uso industrial de la tecnología moderna de deposición por arco catódico se originó en la Unión Soviética alrededor de 1960-1970. A fines de la década de 1970, el gobierno soviético autorizó el uso de esta tecnología en Occidente. Entre los muchos diseños que existían en la URSS en ese momento, el diseño de L. P. Sablev et al. se autorizó para su uso fuera de la URSS.
El proceso de evaporación del arco comienza con la formación de un arco de alta corriente y bajo voltaje sobre la superficie de un cátodo (conocido como el objetivo) que da lugar a una pequeña zona emisora (normalmente de unos pocos micrómetros de ancho) y muy energética, conocida como punto catódico. La temperatura localizada en el punto catódico es extremadamente alta (alrededor de 15.000 °C), lo que da lugar a un chorro de material catódico vaporizado a alta velocidad (10 km/s), que deja un cráter en la superficie del cátodo. El punto catódico solo está activo durante un breve periodo de tiempo, después se autoextingue y se vuelve a encender en una nueva zona cercana al cráter anterior. Este comportamiento provoca el movimiento aparente del arco.
Como el arco es básicamente un conductor que transporta corriente, puede verse influenciado por la aplicación de un campo electromagnético , que en la práctica se utiliza para mover rápidamente el arco sobre toda la superficie del objetivo, de modo que la superficie total se erosiona con el tiempo.
El arco tiene una densidad de potencia extremadamente alta , lo que da como resultado un alto nivel de ionización (30-100 %), iones con carga múltiple , partículas neutras, cúmulos y macropartículas (gotas). Si se introduce un gas reactivo durante el proceso de evaporación, puede producirse disociación , ionización y excitación durante la interacción con el flujo de iones y se depositará una película compuesta.
Una desventaja del proceso de evaporación por arco es que si el punto del cátodo permanece en un punto de evaporación durante demasiado tiempo, puede expulsar una gran cantidad de macropartículas o gotitas. Estas gotitas son perjudiciales para el rendimiento del revestimiento, ya que están mal adheridas y pueden extenderse a través del revestimiento. Peor aún, si el material del objetivo del cátodo tiene un punto de fusión bajo, como el aluminio, el punto del cátodo puede evaporarse a través del objetivo, lo que hace que se evapore el material de la placa de soporte del objetivo o que entre agua de refrigeración en la cámara. Por lo tanto, se utilizan campos magnéticos, como se mencionó anteriormente, para controlar el movimiento del arco. Si se utilizan cátodos cilíndricos, los cátodos también se pueden girar durante la deposición. Al no permitir que el punto del cátodo permanezca en una posición demasiado tiempo, se pueden utilizar objetivos de aluminio y se reduce la cantidad de gotitas. Algunas empresas también utilizan arcos filtrados que utilizan campos magnéticos para separar las gotitas del fundente del revestimiento.
Una fuente de arco catódico de tipo Sablev, la más utilizada en Occidente, consiste en un objetivo corto, de forma cilíndrica y conductor de electricidad en el cátodo con un extremo abierto. Este objetivo tiene un anillo metálico que flota eléctricamente a su alrededor y que funciona como un anillo de confinamiento del arco (escudo de Strel'nitskij). El ánodo del sistema puede ser la pared de la cámara de vacío o un ánodo discreto. Los puntos de arco se generan mediante un disparador mecánico (o encendedor) que golpea el extremo abierto del objetivo y crea un cortocircuito temporal entre el cátodo y el ánodo. Una vez generados los puntos de arco, pueden ser dirigidos por un campo magnético o moverse aleatoriamente en ausencia de campo magnético.
El haz de plasma de una fuente de arco catódico contiene algunos grupos más grandes de átomos o moléculas (las llamadas macropartículas), lo que le impide ser útil para algunas aplicaciones sin algún tipo de filtrado. Hay muchos diseños de filtros de macropartículas y el diseño más estudiado se basa en el trabajo de II Aksenov et al. en los años 70. Consiste en un conducto de un cuarto de toro doblado a 90 grados desde la fuente de arco y el plasma es guiado fuera del conducto mediante el principio de la óptica del plasma.
Existen también otros diseños interesantes, como un diseño que incorpora un filtro de conducto recto integrado con un cátodo en forma de cono truncado, tal como informó DA Karpov en la década de 1990. Este diseño se volvió bastante popular entre los recubridores de película dura delgada y los investigadores en Rusia y los países de la ex Unión Soviética hasta ahora. Las fuentes de arco catódico pueden tener una forma tubular larga (arco extendido) o una forma rectangular larga, pero ambos diseños son menos populares.
La deposición por arco catódico se utiliza activamente para sintetizar películas extremadamente duras que protejan la superficie de las herramientas de corte y prolonguen significativamente su vida útil. Mediante esta tecnología se puede sintetizar una amplia variedad de películas duras delgadas, recubrimientos superduros y recubrimientos nanocompuestos, entre los que se incluyen TiN , TiAlN , CrN , ZrN , AlCrTiN y TiAlSiN .
Este método también se utiliza de forma bastante extensa, en particular para la deposición de iones de carbono para crear películas de carbono similares al diamante . Debido a que los iones se expulsan de la superficie de forma balística , es común que no solo se expulsen átomos individuales, sino grupos más grandes de átomos. Por lo tanto, este tipo de sistema requiere un filtro para eliminar los grupos de átomos del haz antes de la deposición. La película DLC de un arco filtrado contiene un porcentaje extremadamente alto de diamante sp 3 , que se conoce como carbono amorfo tetraédrico o ta-C .
El arco catódico filtrado se puede utilizar como fuente de iones metálicos/plasma para la implantación de iones y la implantación y deposición de iones por inmersión en plasma (PIII&D).