การตกตะกอนและเคลือบผิวด้วยวิธีการอาร์คของแคโทด

การตกตะกอนและเคลือบผิวด้วยวิธีการอาร์คของแคโทด การตกตะกอนและการเคลือบผิวด้วยวิธีการอาร์คของแคโทด ( แคโทดิกอาร์ค, Cathodic arc หรือ Arc-PVD) เป็นการตกตะกอนเพื่อสังเคราะห์สารหรือเพื่อการเคลือบผิวด้วยการใช้ไอที่ได้จากวิธีทางฟิสิกส์ (PVD) ซึ่งในที่นี้คือได้จากการอาร์คเพื่อเปลี่ยนสภาพวัสดุที่ขั้วแคโทดให้กลายเป็นไอพลาสมา โดยไอเหล่านี้จะไปควบแน่นกลายเป็นตะกอนของสารสังเคราะห์หรือเป็นผิวเคลือบบางบนผิวของวัสดุชิ้นงาน (Substrate) ในภายหลัง
วิธีการอาร์คของแคโทดนี้สามารถใช้ในการผลิตสารสังเคราะห์และผิวเคลือบที่เป็น โลหะ เซรามิก และคอมโพสิต (วัสดุเชิงประกอบ)

ประวัติ

สหภาพโซเวียต เป็นชาติแรกที่ประสพความสำเร็จในการพัฒนากรรมวิธีการเคลือบผิวด้วยวิธีการอาร์คของแคโทดเพื่อใช้ในงานอุตสาหกรรม เมื่อประมาณ ค.ศ. 1960-1970 ภายหลังจากปี 1970 จึงได้มีการเผยแพร่วิธีนี้ไปสู่โลกตะวันตก แม้ว่าภายในสหภาพโซเวียตในขณะนั้นเองจะมีการออกแบบลักษณะของหัวจ่ายสาร ออกมาหลากหลายรูปแบบ แต่หัวจ่ายสารออกแบบโดย L.P.Sablev และคณะฯ เท่านั้นที่ได้รับอนุมัติให้สามารถเผยแพร่ออกไปภายนอกสหภาพโซเวียตได้

กระบวนการอาร์คของแคโทด

กระบวนการอาร์คของแคโทดจะเริ่มต้นด้วยการกระตุ้นให้เกิดการอาร์คบนผิวของแคโทด (ซึ่งเรียกว่า target เป็นวัสดุที่จะใช้เป็นองค์ประกอบของผิวเคลือบ) การอาร์คเหล่านี้จะเกิดที่ความต่างศักย์ต่ำแต่มีกระแสที่สูง ซึ่งจะทำให้เกิดบริเวณจุดเล็กๆที่มีความกว้างของจุดเพียงไม่กี่ไมโครเมตรที่มีพลังงานถูกปลดปล่อยออกมาสูงมาก ซึ่งเรียกว่าจุดอาร์ค, arc spot หรือ cathode spot จุดเหล่านี้จะมีอุณหภูมิสูงมาก ซึ่งอาจสูงมากถึง 15,000 องศาเซลเซียส มากเพียงพอที่จะทำให้แคโทดกลายเป็นไอพลาสมาและพวยพุ่งออกมาเป็นสายด้วยความเร็วสูง อาจสูงถึง 10 กม./วินาที แต่เมื่อแคโทดระเหยออกไปแล้ว พื้นผิวบริเวณนั้นจะกลายสภาพเป็นหลุมแทน (target จะสึกกร่อนไป) อย่างไรก็ตาม cathode spot จะคงอยู่เพียงชั่วครู่เดียว หลังจากนั้นจะสลายตัวเองไป แต่จะเกิด cathode spot ใหม่ขึ้นมาในบริเวณที่ใกล้เคียงกับหลุมที่เกิดจาก cathode spot ก่อนหน้า พฤติกรรมเหล่านี้นั้นจะทำให้ดูเสมือนว่าอาร์คมีการเคลื่อนที่ไปโดยรอบแคโทด
การเคลื่อนไหวของจุดอาร์คสามารถควบคุมได้โดยการเหนี่ยวนำในสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เพราะเนื่องจากจุดอาร์คนั้นคือตัวนำไฟฟ้าที่ดีนั่นเอง โดยวิธีนี้จะใช้เพื่อควบคุมให้เกิดการอาร์คไปโดยทั่วถึงตลอดผิวหน้าของ target และด้วยเหตุนี้ ผิวหน้าของ target จะสึกกร่อนไปเรื่อยๆ ทั่วทั้งพื้นผิวตราบเท่าที่ยังเกิดการอาร์คขึ้น
การอาร์คจะมีความเข้มข้นของพลังงานสูงยิ่งยวด ส่งผลทำให้ระดับการแตกตัวเป็นไอออนในบริเวณนั้นสูงมาก (30-100%) ทำให้ได้ไอออนมีมีประจุต่างกัน อนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า กลุ่มก้อนอนุภาค หรืออนุภาคขนาดใหญ่ (Macro-particle หรือ Droplet) ด้วยเหตุนี้ ถ้ามีการใช้ก๊าซที่ไวต่อการทำปฏิกิริยาในขั้นตอนการอาร์คของแคโทดนี้ ลำของไอออนจากการอาร์คจะกระตุ้นให้ก๊าซปฏิกิริยานั้นแตกตัว กลายสภาพเป็นไอออน และกระตุ้นระดับพลังงานของก๊าซนั้น ทำให้ก๊าซเหล่านั้นสามารถทำปฏิกิริยากับไอพลาสมาของแคโทด ทำให้เกิดเป็นผิวเคลือบที่เป็นวัสดุเชิงประกอบได้
ข้อเสียหนึ่งของวิธีการอาร์คของแคโทดนี้คือ ถ้า cathode spot ที่เกิดขึ้นคงอยู่นานเกินไป จะเกิดการปลดปล่อยอนุภาคขนาดใหญ่ออกมากเป็นจำนวนมากกระจายไปทั่วผิวเคลือบ ส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของผิวเคลือบโดยเฉพาะสมบัติการยึดติดของผิวเคลือบที่ด้อยลง กรณีที่ target เป็นวัสดุที่จุดหลอมเหลวต่ำ เช่น อะลูมิเนียม สถานการณ์อาจเลวร้ายมากยิ่งขึ้นจากการที่ cathode spot สามารถทำให้เกิดการระเหยจนทะลุไปอีกด้านของ target ได้ ทำให้ผิว target ด้านหลังระเหยกลายเป็นไอ หรือแม้กระทั่งทำให้น้ำที่ใช้สำหรับหล่อเย็นอยู่ด้านหลังเกิดการระเหยและกลายเป็นไอน้ำเข้ามาในระบบ ซึ่งไม่เป็นที่ต้องการในการเคลือบ ดังนั้น จึงมีการใช้สนามแม่เหล็กเพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของอาร์ค หรือใช้ target ที่เป็นรูปทรงกระบอกที่สามารถหมุนได้ เพื่อป้องกันไม่ให้ cathode spot เกิดขึ้น ณ บริเวณใดบริเวณหนึ่งนานเกินไป ด้วยวิธีดังกล่าว ทำให้สามารถใช้ target ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำเช่น อะลูมิเนียม ได้โดยที่มีจำนวนอนุภาคขนาดใหญ่ลดลง ผู้ประกอบการบางรายก็มีการใช้ filter โดยอาศัยสนามแม่เหล็กเพื่อกรองเอาอนุภาคขนาดใหญ่ออกจากลำพลาสมาของสารเคลือบที่ต้องการด้วย

การออกแบบอุปกรณ์

หัวจ่ายสารสำหรับกระบวนการอาร์คของแคโทด ที่ออกแบบโดย Sablev ซึ่งเป็นที่นิยมใช้กันมากในโลกตะวันตกนั้น ประกอบด้วย target รูปทรงกระบอกสั้นทำจากวัสดุนำไฟฟ้าได้ที่มีด้านเปิดด้านหนึ่ง target นี้จะมีแหวนโลหะที่แขวนลอยอยู่ในสนามไฟฟ้า (Electrically floated) อยู่ครอบอีกทีหนึ่งเพื่อทำหน้าที่เป็นแหวนควบคุมการอาร์ค (เรียกว่า Confinement ring หรือ Strel'nitskij shield) ขั้วแอโนดของระบบอาจเป็นผนังเตาสุญญากาศที่ใช้ในการเคลือบหรืออาจเป็นขั้วที่ทำมาแยกโดยเฉพาะก็ได้ อาร์คจะถูกจุดด้วยการใช้ที่เคาะ (Trigger , Igniter) ที่ควบคุมด้วยวิธีกลเคาะลงไปบน Target ณ ด้านที่เปิดอยู่ ทำให้เกิดการลัดวงจรขึ้นชั่วคราวระหว่างแอโนดและแคโทด เพื่อให้เกิดจุดอาร์ค (Arc spot) หลังจากนั้น อาร์คที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่แบบมีการควบคุม (ถ้ามีสนามแม่เหล็ก) หรือเคลื่อนที่แบบสุ่ม (ถ้าไม่มีสนามแม่เหล็ก)
ไอที่ได้จากการอาร์คนั้นจะมีอนุภาคขนาดใหญ่ปะปนอยู่ ซึ่งไม่เหมาะสมกับการใช้งานบางประการที่ไม่ต้องการสิ่งเจือปนเหล่านี้ จึงต้องมีการติดตั้ง Filter (ตัวกรอง) เพื่อกรองอนุภาคเหล่านี้ออกไป มีการออกแบบ filter แบบต่างๆไว้มากมาย แต่รูปแบบที่ใช้ในการศึกษามากที่สุดได้มาจากการออกแบบโดย I. I. Aksenov ในช่วงทศวรรษ 1970 โดยเป็นท่อที่โค้งงอ กวาดไปเป็นมุม 90 องศากับแหล่งอาร์ค ลำพลาสมาที่ได้จากการอาร์คนั้นจะถูกเหนี่ยวนำด้วยสนามแม่เหล็ก โดยหลักการของ Plasma optics ให้ออกจากท่อเพื่อไปเคลือบผิวชิ้นงานที่อยู่อีกด้าน
มีการออกแบบอื่นๆที่น่าสนใจอีกมาก เช่น การออกแบบที่รายงานโดย D. A. Karpov ในช่วงทศวรรษ 1990 โดยการใช้ท่อตรงที่มี filter ในตัวเองและใช้ควบคู่กับแคโทดรูปร่างทรงกรวยหัวตัด ซึ่งเป็นที่นิยมโดยอุตสาหกรรมการเคลือบผิวบางแข็งและนักวิจัยในรัสเซีย รวมไปถึงเหล่าประเทศจากอดีตสหภาพโซเวียตจวบจนปัจจุบัน
หัวจ่ายสารแบบแคโทดิกอาร์คนั้นสามารถถูกออกแบบให้เป็นรูปร่างลักษณะท่อกลมยาว (Extended-arc) หรือรูปทรงสี่เหลี่ยมผืนผ้า ได้เช่นกัน กระนั้น รูปแบบดังกล่าวทั้ง 2 ประเภทนั้นก็ไม่ได้เป็นที่นิยมมากนัก

การใช้งาน

การเคลือบผิวด้วยวิธีการอาร์คของแคโทดนี้มักจะถูกใช้ในการสังเคราะห์ผิวเคลือบแข็งที่มีความแข็งสูงมาก จุดประสงค์เพื่อป้องกันผิวของเครื่องมือตัดและเพิ่มอายุการใช้งานอย่างมีนัยสำคัญ ผิวเคลือบแข็งที่ใช้การเคลือบวิธีนี้รวมถึงผิวเคลือบที่แข็งพิเศษยิ่งยวด (Superhard coating ค่าความแข็ง Nano-hardness สูงกว่า 40 GPa) และผิวเคลือบ Nanocomposite (วัสดุเชิงประกอบที่มีการจัดเรียงโครงสร้างเป็นแบบเฉพาะในระดับนาโนเมตร)
สารสังเคราะห์และผิวเคลือบที่สามารถผลิตได้โดยกระบวนการแคโทดิกอาร์คนั้นมีมากมายหลายชนิด อาทิเช่น ไทเทเนียมไนไตรด์ (TiN), ไทเทเนียมอะลูมิเนียมไนไตรด์ (TiAlN), โครเมียมไนไตรด์ (CrN), เซอร์โคเนียมไนไตรด์ (ZrN), อลูเนียมโครเมียมไทเทเนียมไนไตรด์ (AlCrTiN) ไทเทเนียมอะลูมิเนียมซิลิกอนไนไตรด์ (TiAlSiN)และอะลูมิเนียมโครเมียมไทเทเนียมซิลิกอนไนไตรด์(AlCrTiSiN) เป็นต้น
กระบวนการแคโทดิกอาร์คเป็นที่นิยมใช้งานพิเศษเฉพาะ สำหรับการเคลือบผิวด้วยไอออนคาร์บอนเพื่อทำผิวเคลือบ DLC ด้วย แต่เนื่องจากไอออนเหล่านี้จะเกิดจากการที่พื้นผิวระเบิดออกด้วยพลังงานที่สูงยิ่งยวดจากการอาร์ค ดังนั้นสิ่งที่หลุดออกมาจึงมิได้มีเพียงอะตอมเดี่ยว แต่จะมีกลุ่มอะตอม และเนื้อคาร์บอนที่หลุดออกมาเป็นก้อนออกมาด้วย ดังนั้น จึงจำเป็นที่ต้องมี filter เพื่อกรองก้อนเหล่านี้ออกไปก่อนที่สารเคลือบจะไปถึงพื้นผิวชิ้นงาน ผิวเคลือบ DLC ที่ได้จากวิธีนี้จะมีอัตราส่วนของคาร์บอนแบบ sp3 (โครงสร้างแบบเพชร) สูงมากเป็นพิเศษ เรียกว่า ta-C (Tetrahedral amorphous carbon คาร์บอนอัญรูปที่มีโครงสร้างเสมือนเพชร)
นอกจากนี้ พลาสมาที่ผ่านการกรองไปแล้วสามารถนำไปใช้เป็นแหล่งกำเนิดพลาสมาสำหรับการทำ Ion implantation (การปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของพื้นผิวด้วยการฝังไอออน) หรือ plasma immersion ion implantation and deposition (PII&D) (การจุ่มแช่ในพลาสมาเพื่อการฝังตัวของไอออนและตกตะกอนไอสสาร) ได้อีกด้วย
ในปัจจุบัน นอกจากการใช้งานที่ได้กล่าวมาแล้วนั้น แคโทดิกอาร์คยังได้ถูกนำมาใช้ในงานอื่นๆนอกจากการเคลือบผิว เช่นการผลิตผงของสารสังเคราะห์แบบพิเศษที่นอกจากจะมีการควบคุมโครงสร้างในระดับนาโนเมตรได้แล้ว ยังสามารถควบคุมการผลิตให้มีขนาดอนุภาคได้ตามต้องการทั้งในระดับไมโครและนาโนเมตร