Katodik-ark biriktirme

Ark-PVD kaplama işleminde makropartikül ve yüzey morfolojisinin oluşumunu gösteren şematik çizim.
Katodik-ark biriktirme. Bu yöntemde buharlaştırılacak malzeme (katot) ve vakum çemberinin duvarları arasında düşük voltaj (20-300 V)- yüksek akım (100 A-200 A) özelliğine sahip potansiyel uygulanır. Başlangıçta, tetikleme ile kısa devre yapılarak, anot ile katot arasında akım geçişi oluşturulur. Katot yüzeyindeki çok küçük alanlarda sıcaklığı 2500 °C civarında olan ark izi oluşturulur. Bununla beraber, katotun önünde oluşturulan yüksek elektron akışı ile buharlaşan atomların iyonizasyonu sağlanmaktadır. Buharlaştırma işlemi sırasında, kaplama malzemesinin (katot) iyi soğutulmadığı durumlarda, film kalitesini bozan ve droplet adı verilen büyük sıvı kütlelerinin yüzeyden kopması söz konusudur.
Katodik ark yöntemi ile, metalik, seramik veya kompozit filmler oluşturulabilir. Katodik arkla oluşturulan, ark izinin boyutu birkaç mikrometre boyutlarındadır. Bu bölgedeki sıcaklık 15000 C gibi aşırı yüksek değerlere ulaşabilir. Katot üzerinden inanılmaz bir hızla, buharlaştırma yapılabilir (10 km/s) ve ark izinin bulunduğu yerde daha sonra bir krater meydana gelir.
Arkı, yüzey üzerinde hareket ettirmek için, elektromanyetik alandan yararlanılır. Eğer ark buharlaştırma prosesi sırasında katot spotu, buharlaştırma noktasında çok uzun süre kalırsa, makropartiküllerin veya dropletların oluşmasına sebep olunur. Böyle bir durumda, kaplamanın istenilen özellikleri kaybolur. Eğer silindirik katot kullanılırsa, işlem sırasında katodunda pozisyonu değiştirilebilir.
Katodik ark yönteminin ilk endüstriyel uygulaması, 1960'lı yıllarda Sovyetlerde gerçekleştirilmiştir. L.P. Sabrev'in yaptığı birçok tasarım ancak 1980'lerden sonra batı dünyasına taşınabilmiştir. Sovyetler örneğin, ark buhar biriktirme yöntemi ile TiN kaplama yaparak altın görünümü elde edebilmeyi başarmıştır.
Katodik ark yöntemi, kesici takımların üstüne aşırı sert film kaplamalar yapılmasında, günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Karbon kaplayıcı olarak kullanılırsa yüzeyde elmasvari karbon filmler oluşturulabilir. Bu teknoloji ile TiN, TiAlN, CrN, ZrN ve TiAlSiN gibi nanokompozit kaplamalar yapılabilmektedir.
Katodik ark yöntemi ile yapılan kaplamaların yüzeylerinde, droplet oluşumunu azaltmak için katotların arkasına kuvvetli mıknatıslar yerleştirilmektedir. Katotların arkalarına yerleştirilen mıknatısların, dropletların azalmasına olan etkisi şu şekilde açıklanabilir. Mıknatısların oluşturduğu manyetik alan, iyon gibi yüklü partiküllerin üzerinde etkili olurken, yüksüz makropartiküller üzerinde etkisi yoktur. Bu farklılık ile manyetik alan sistemde iyonlar ile makropartiküller arasında filtre görevi görür. Manyetik alanın iyonlar üzerindeki etkisi, iyonların hızını artırır ve bununla orantılı olarak film biriktirme hızlarıda artarak, kaplama süresi kısalır. Sonuç olarak kısalan kaplama süresi ile film yüzeyine düşen makropartikül sayısıda azalacaktır. Sistem içindeki makropartiküller, nötral bir buhar kaynağı olarak da tanımlanabilir. Plazma içerisinde bulunan makropartiküllerden, bu partiküllere çarpan elektronlar vasıtasıylada buharlaşma meydana gelebilmektedir. Oluşturulan manyetik alan, plazma içerisindeki elektron yoğunluğunu artırarak makropartiküllerin buharlaşmasını artırmaktadır.
Daha fazla bilgi için:
Fiziksel buhar biriktirme
İnce film kaplama teknikleri