موضوع مقاله: نهشت قوس کاتدی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # نهشت قوس کاتدی | مقدمه: نهشت قوس کاتدی یا رسوب قوس کاتدی (Arc-PVD) یک روش نهشت بخار فیزیکی است که در آن از یک قوس الکتریکی برای تبخیر ماده از کاتد هدف استفاده می‌شود. | ## بخش 1: نهشت قوس کاتدی | از این روش می‌توان برای رسوب‌گذاری لایه‌های فلز، سرامیک و کامپوزیت استفاده نمود. تاریخچه استفاده صنعتی از فناوری نوین نهشت قوس کاتدی حوالی ۱۹۶۰–۱۹۷۰ در اتحاد جماهیر شوروی آغاز شد. از میان طرح‌های بسیار آن زمان در اتحاد جماهیر شوروی، طرح سابلو و همکاران او مجاز به استفاده در خارج از اتحاد جماهیر شوروی بود. فرایند فرایند تبخیر قوس با برخورد یک قوس جریان بالا و ولتاژ پایین به روی سطح یک کاتد (تحت عنوان هدف) شروع می‌شود که باعث ایجاد یک قسمت کوچک (معمولا حدود چند میکرومتر) با انرژی زیاد به عنوان نقطه کاتد می‌شود. دمای بالا منجر به انفجاری از کاتد بخار شده با سرعت بالا (۱۰ کیلومتر بر ثانیه) می‌شود. نقطه کاتد فقط برای مدت زمان کوتاهی فعال است، پس از آن خود به خود خاموش می‌شود و دوباره در یک منطقه جدید نزدیک به دهانه قبلی مشتعل می‌گردد. از آنجایی که قوس در واقع جریان حامل رسانا است، می‌تواند تحت تأثیر اعمال میدان الکترومغناطیسی قرار گیرد. در عمل از این ویژگی برای حرکت سریع قوس بر روی تمام سطح هدف استفاده می‌شود، به طوری که کل سطح در طول زمان خورده شود. قوس چگالی توان بسیار بالایی دارد که منجر به میزان زیادی از یونش (۳۰–۱۰۰٪)، یون‌های باردار متعدد، ذرات خنثی، خوشه‌ها و ذرات ماکرو (قطرات کوچک) می‌شود. | ## بخش 2: نهشت قوس کاتدی | اگر یک گاز واکنش پذیر در طی فرایند تبخیر وارد شود، تفکیک، یونش و حالت برانگیخته حین برهمکنش با شار یونی رخ می‌دهد و یک لایه ترکیبی رسوب ایجاد می‌کند. از معایب فرایند تبخیر قوس این است که اگر نقطه کاتد برای مدت طولانی در نقطه تبخیر بماند، می‌تواند تعداد زیادی ماکروذرات یا قطرات را به بیرون بپاشد. این قطرات برای عملکرد روکش مضر هستند زیرا به خوبی نچسبیده‌اند و می‌توانند در سرتاسر پوشش گسترش یابند. در شرایطی بدتر اگر ماده کاتد هدف دارای نقطه ذوب پایینی مانند آلومینیوم باشد، نقطه کاتد می‌تواند از میان هدف تبخیر شود. پس، همان‌طور که قبلاً گفته شد میدان‌های مغناطیسی برای کنترل حرکت قوس به کار برده می‌شوند. اگر از کاتدهای استوانه ای استفاده شود، کاتدها نیز می‌توانند در طول انباشت چرخانده شوند. با پیشگیری از ثابت ماندن نقطه کاتد در یک موقعیت برای مدتی طولانی، امکان استفاده از اهداف آلومینیومی فراهم می‌شود و تعداد قطرات پرتاب شده را کاهش داد. همچنین برخی از شرکت‌ها از قوس‌های فیلتردار استفاده می‌کنند که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی قطرات را از شار پوشش جدا می‌کنند. این منبع از یک هدف استوانه ای کوتاه و رسانای الکتریکیسته در کاتد که یک انتهای آن باز است، ساخته شده است. | ## بخش 3: نهشت قوس کاتدی | نقاط قوس توسط یک قلاب مکانیکی (یا جرقه زن) ایجاد می‌شوند و به انتهای باز هدف برخورد می‌کنند. پس از اینکه ایجاد نقاط قوس ایجاد شدند، می‌توان آنها را توسط یک میدان مغناطیسی هدایت کرد، یا در غیاب میدان مغناطیسی به‌طور تصادفی حرکت داد. پرتو پلاسما آمده از یک منبع قوس کاتدی حاوی تعدادی خوشه بزرگتر از اتم‌ها یا مولکول‌ها (به اصطلاح ماکروذرات) است که در صورت عدم استفاده از فیلتر باعث عیب در برخی کاربردها می‌شود. طرح‌های زیادی برای فیلترهای ماکروذرات وجود دارد و بیشترین طرح مورد مطالعه بر اساس کار Aksenov و همکارانش در دهه ۷۰ است. این طرح شامل یک مجرای ربع دایره است که ۹۰ درجه نسبت به منبع قوس خم شده است و پلاسما بر اساس اصول اپتیک پلاسما به خارج از مجرا هدایت می‌شود. همین‌طور طرح‌های جالب دیگری وجود دارد، مانند طرحی که یک فیلتر مجرای مستقیم را داخل یک کاتد مخروطی کوتاه قرار می‌گیرد است. این طرح برای پوشش‌های لایه سخت نازک میان محققین روسیه و کشورهای اتحاد جماهیر شوروی سابق تا کنون بسیار محبوب شده است. همچنین این فرایند به‌طور وسیع و ویژه برای رسوب یون کربن برای ایجاد لایه‌های کربن شبه الماس استفاده می‌شود. از آنجایی که یون‌ها به صورت بالستیک از سطح منفجر می‌شوند، معمولاً نه تنها اتم‌های تکین، بلکه خوشه‌های بزرگ‌تری از اتم‌ها هم پرتاب می‌شوند؛ بنابراین، این نوع سیستم به یک فیلتر برای حذف خوشه‌های اتمی از پرتو قبل از رسوب گذاری نیاز دارد. | ## جمع‌بندی | قوس کاتدی فیلتردار می‌تواند به عنوان منبع یون/پلاسما فلزی برای کاشت یون و کاشت پلاسما و یون و رسوب گذاری (PIII&D) استفاده شود.