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

ข้อมูลอื่นๆ (ภาษาอังกฤษ) 
 การตกตะกอนและการเคลือบผิวด้วยวิธีการอาร์คของแคโทด
 การตกตะกอนและเคลือบผิวด้วยไอที่ได้จากวิธีทางฟิสิกส์
 การอาร์ค
 สุญญากาศ
 การปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของพื้นผิวด้วยการฝังไอออน
 ผิวเคลือบ

แหล่งอ้างอิง 
 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., Annual 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 (สุรศักดิ์ สุรินทร์พงษ์ , ภาษาไทย พศ. 2541)
 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

กระบวนการทางอุตสาหกรรม