Principiul fasciculului de ioni de evaporare a fasciculului de electroni UV cu LED-uri uvc departe 222 172nm și fascicul de ioni de pulverizare cu magnetron
9.3 Fluxul de electroni în arc
În ultimii ani, fluxul de electroni cu arc de-înaltă energie,-densitate mare în descărcarea arcului a jucat un rol proeminent în procesele de placare cu ioni, cum ar fi încălzirea pieselor de prelucrat, curățarea pieselor de prelucrat, îmbunătățirea efectelor de ionizare și depunerea acoperirii. Aceste aspecte au fost introduse în capitolele precedente. Această secțiune rezumă și organizează caracteristicile, metodele de generare și aplicațiile fluxului de electroni cu arc, permițând cititorilor să aprecieze importanța utilizării pe deplin a fluxului de electroni cu arc.
9.3.1 Caracteristicile și metodele de generare a fluxului de electroni cu arc
1. Caracteristicile fluxului de electroni cu arc
Densitatea fluxului de electroni, a fluxului de ioni și a atomilor neutri cu energie mare-din plasma cu arc generată de descărcarea cu arc este mult mai mare decât cea din descărcarea strălucitoare. În spațiul de acoperire, există mai mulți ioni de gaz, ioni metalici, atomi-de energie înaltă excitați și diverse grupuri active, care joacă un rol important în etapele de încălzire, curățare și acoperire ale procesului de depunere. Forma de acțiune a fluxului de electroni în arc diferă de cea a fasciculelor de ioni; nu este în întregime convergentă într-un „fascicul”, ci mai ales într-o stare divergentă, de aceea se numește flux de electroni arc. Deoarece fluxul de electroni arcului se deplasează către anod, oriunde este conectat polul pozitiv al sursei de alimentare cu arc, fluxul de electroni arcului va fi direcționat acolo. Anodul poate fi piesa de prelucrat, anodul auxiliar, creuzetul etc.
2. Metode de generare a fluxului de electroni cu arc
(1) Generarea sursei de gaz a fluxului de electroni cu arc
Descărcarea arcului cu catod gol și descărcarea arcului cu filament fierbinte pot obține curenți de arc de aproximativ 200 A, cu tensiuni de arc de 50 ~ 70 V.
(2) Generarea de surse solide a fluxului de electroni cu arc
Surse de arc catodic, inclusiv surse de arc mic, surse de arc de coloană, surse de arc dreptunghiular plane mari, etc. Fiecare descărcare de sursă de arc catodic are un curent de arc de 80~200A și o tensiune de arc de 18~25V. Fluxul de electroni cu arc de -densitate mare, de energie redusă{-în ambele tipuri de plasmă cu descărcare în arc poate produce ionizare intensă în coliziune cu gazul și atomii de acoperire cu metal, producând mai mulți ioni de gaz, ioni metalici, diferiți atomi activi de-energie ridicată și grupuri active, crescând astfel activitatea globală a ionilor de acoperire.
9.3.2 Aplicații ale fluxului de electroni cu arc
1. Aplicații ale fluxului de electroni cu arc de sursă de gaz
1) Compania Balzers a inventat mai întâi mașina de placare cu ioni cu arc cu filament cald
Fluxul de electroni cu arc emis de pistolul cu arc cu filament fierbinte de sus în jos spre anod poate controla întregul proces de încălzire, curățare și acoperire a piesei de prelucrat prin schimbarea poziției anodului și a variațiilor curentului electromagnetic. Deși această mașină de placare nu mai este utilizată pentru acoperire, este încă folosită pentru încălzirea piesei de prelucrat și curățarea prin bombardament.
2) Compania Hauzer își schimbă poziția anodului
Folosind numai efecte de câmp electric, fluxul de electroni cu arc ionizează gazul de argon în timpul mișcării către anod pentru a produce un flux de ioni de argon cu densitate mare-pentru curățarea prin bombardament a pieselor de prelucrat; gazul de azot ionizant produce un flux de ioni de azot cu densitate mare-pentru nitrurarea ionilor cu arc.
3) Inițial, pistoalele cu catod gol au fost folosite numai la mașinile de placare cu ioni cu catod gol
Dalian Jingjing Technology Co., Ltd. a instalat un pistol cu catod gol într-o mașină de placare cu ioni cu sursă de arc mic ca sursă de curățare prin bombardament pentru piesele de prelucrat, obținând efecte bune de curățare și îmbunătățind luminozitatea suprafeței piesei de prelucrat.
4) Dr. Peng Hongjian a instalat un pistol cu catod gol într-o mașină de placare cu ioni cu sursă de arc mic
În timpul acoperirii cu sursa de arc mic, pistolul cu catod gol este activat simultan, folosind fluxul de electroni cu arc cu densitate mare-pentru a crește probabilitatea de coliziune cu particulele de acoperire, rafinând structura acoperirii. Figura 9-10 Imagini de microscop cu forță atomică ale structurii de acoperire rafinate prin fluxul de electroni cu arc catodic gol a) Curentul pistolului catodic gol 0A b) Curentul pistolului catodic gol 120A c) Curentul pistolului catodic gol 140A d) Curentul pistolului catodic gol 160A Notă: Această cifră Peng Hongjian furnizată de Dr. După cum se vede în Figura 9-10, odată cu creșterea curentului arcului catodic gol, particulele mari din acoperire scad și se rafinează treptat, indicând faptul că fluxul de electroni cu arc de înaltă densitate poate rafina structura acoperirilor din surse de arc catodic.
2. Aplicații ale fluxului de electroni cu arc cu sursă solidă
(1) Tehnologia de curățare a piesei de prelucrat îmbunătățită cu fluxul de electroni cu arc
În procesele de placare cu ioni, curățarea ionilor de argon cu descărcare strălucitoare este în general utilizată pentru piesele de prelucrat, dar densitatea fluxului de ioni de argon de la descărcarea strălucitoare este scăzută; utilizarea ionilor de titan din plasmă cu sursă de arc catodic pentru curățarea pieselor de prelucrat poate produce particule mari pe suprafață. A apărut o nouă tehnologie care utilizează fluxul de electroni din plasmă cu arc indus de câmp rece-emis de sursele de arc catodic pentru a ioniza gazul de argon, producând ioni de argon cu energie scăzută,-densitate mare-pentru curățarea piesei de prelucrat. Diverse potriviri de poziție a anodului-catodicului permit câmpurilor electrice să conducă fluxul de electroni în orice poziție dorită a anodului. Curățarea cu bombardament cu energie redusă, cu un flux de ioni de argon cu densitate mare-oferă efecte bune de curățare și luminozitate ridicată a suprafeței piesei de prelucrat. Aceasta este metoda cea mai simplă și cu cel mai mic cost{10}}pentru a obține un flux de ioni de argon cu densitate mare-.
(2) Proces de acoperire prin pulverizare cu magnetron cu flux de electroni cu arc
Tehnologia de acoperire prin pulverizare cu magnetron funcționează în descărcare strălucitoare cu densitate scăzută a plasmei, ceea ce duce la rate scăzute de depunere, aderență scăzută a filmului-la substrat, rate scăzute de ionizare a metalelor și energie scăzută a particulelor de acoperire, ceea ce face dificilă obținerea de filme compuse. În ultimii ani, o nouă tehnologie a apărut prin configurarea surselor de arc catodic în mașinile de pulverizare cu magnetron pentru a îmbunătăți nivelul de acoperire cu magnetron.
Fluxul de electroni cu arc cu densitate mare de-ionizează gazul de argon pentru a produce un flux de ioni de argon de-densitate mare pentru curățarea prin bombardament a pieselor de prelucrat, înlocuind curățarea cu bombardament cu ioni de titan folosit de mult-și îmbunătățind efectele decorative pentru produsele decorative-de ultimă generație acoperite prin pulverizare cu magnetron.
Fluxul de electroni cu arc cu densitate mare de-ionizează gazul de argon pentru a produce un flux de ioni de argon de-densitate mare pentru pulverizarea țintă, crescând ratele de depunere.
Sursele de arc catodic potrivite în acoperirea țintei cu magnetron se pot acoperi împreună cu țintele cu magnetron după curățarea piesei de prelucrat, permițând filme de aliaj și filme multistrat.
Depunerea asistată. În timpul participării la acoperire de către sursele de arc catodic, fluxul de electroni emis de peste 100 A crește rata de ionizare a atomilor de acoperire pulverizați, facilitând formarea peliculei compuse; mai mulți ioni metalici ajung la piesa de prelucrat, crescând ratele de depunere prin pulverizare a magnetronului. În capitolul 7, a fost introdusă mașina de placare cu ioni cu arc catodic coloan dezvoltat de compania Platt, cu o sursă de arc catodic coloan instalată în mijloc ca țintă de pulverizare cu magnetron coloan (modelul original m411). Ținta de pulverizare a magnetronului din mijloc folosește ținte izolatoare ceramice, în timp ce sursele de arc de coloană a ușii folosesc diverse ținte. Cele două surse diferite de acoperire coloană se îmbină pentru a produce acoperiri dure compozite. Sursele de arc coloan uși pot curăța tuburile și piesele țintă și pot servi ca surse de acoperire, oferind următoarele efecte în timpul acoperirii simultane cu ținta coloană din mijloc:
Emiterea fluxului de electroni cu densitate mare-crește densitatea ionilor de argon, crescând ratele de depunere.
Fluxul de electroni cu densitate mare-crește rata de ionizare a particulelor de acoperire pulverizate, crescând ratele de depunere și atingând 2 μm/h pentru acoperirile dure compozite.
Rata mai mare de ionizare îmbunătățește activitatea diferitelor particule de acoperire, facilitând depunerea reactivă a straturilor dure compozite. Acesta este un exemplu excelent de utilizare a fluxului de electroni de arc emis de sursa de arc catodic-pentru a îmbunătăți acoperirea prin pulverizare cu magnetron.
a) Depunerea asistată prin evaporare cu fascicul de electroni
b) Depunere asistată prin pulverizare cu magnetron prin fascicul de ioni
Acestea folosesc fascicule ionice auxiliare. Atomii de film pulverizați din țintă de fasciculele de ioni se depun pe substrat, în timp ce sursa de ioni din stânga iradiază piesa de prelucrat, realizând simultan acoperirea prin pulverizare și bombardarea cu fascicul de ioni. Avantajele includ: particulele pulverizate au o energie mare de la pulverizarea cu fascicul de ioni de-energie ridicată, oferind o bună aderență la substrat; combinațiile arbitrare de elemente metalice și ne-metalice permit diverse tipuri de pelicule; vidul ridicat în timpul acoperirii favorizează peliculele subțiri de performanță excelentă.
(3) Metoda convențională de acoperire prin pulverizare cu magnetron
Pulverizarea convențională cu magnetron are o rată scăzută de ionizare a metalelor, ceea ce face dificilă depunerea reactivă a filmelor compuse. Acum, acoperirea țintei prin pulverizare cu magnetron este combinată cu bombardarea asistată cu fascicul ionic pentru a îmbunătăți calitatea acoperirii, aderența filmului-la substrat și rata de ionizare a particulelor de acoperire, crescând ratele de depunere și facilitând peliculele subțiri compuse. Această tehnologie este aplicată pe scară largă în domeniul mașinilor, aerospațiale, informației, arhitecturii și decorațiunilor. Sursele de ioni cu strat anodic de bandă lungă sunt mai potrivite pentru acoperirea cu produse plane cu suprafețe mari-. În anumite aplicații optice, această tehnologie asistată se poate combinaLED UV 172nmsaudeparte UVC 222surse de lumină nm pentru activarea suprafeței, îmbunătățind și mai mult performanța filmului.
(4) Aplicații ale tehnologiei de depunere asistată cu fascicul de ioni
Depunerea asistată cu fascicul de ioni (IBAD) a sintetizat cu succes materiale noi și a pregătit pelicule subțiri de{0}}performanță înaltă, găsind aplicații în filme de izolare, filme de protecție, filme optice, acoperiri cu oglindă cu laser pentru dispozitive electronice și filme rezistente la uzură, la coroziune{{2}, pentru scule, matrițe și rulmenți.
1) Îmbunătățirea densității filmului
Cea mai timpurie aplicare a depunerii asistate cu fascicul de ioni a fost în pelicule subțiri funcționale pentru proprietăți electrice, magnetice și optice. Sursele de ioni de-energie scăzută asigură bombardarea asistată, controlând cu precizie structura filmului și densitatea cu fascicule de ioni. Figura 9-8 arată că depunerea asistată de ioni crește densitatea structurilor de acoperire prin evaporare a fasciculului de electroni. Densitatea mai mare a peliculei reduce porozitatea, îmbunătățește aderența și oferă rezistență ridicată la deteriorarea laserului cu difuzie optică scăzută. În sistemele optice cu ultraviolete profunde, combinareadeparte UVC 222Sursele de lumină nm pot optimiza în continuare stabilitatea filmului la lungimi de undă scurte.
2) Obținerea de pelicule subțiri funcționale cu compoziție stoichiometrică
Filmele optice obișnuite sunt filme de oxid, cum ar fi [diverși oxizi]. Evaporarea directă a acestor oxizi în timpul acoperirii cauzează deficiență de oxigen, afectând performanța filmului optic. Depunerea îmbunătățită cu fascicul de ioni de oxigen compensează pierderea de oxigen în timpul depunerii, producând filme optice de-înaltă calitate. Pentru anumite acoperiri optice care necesită puritate extremă și proprietăți antibacteriene, auxiliarLED UV 172nmpoate fi introdus pentru dezinfecția și activarea suprafețelor, asigurând pelicule fără contaminare{0}.
3) Obținerea de metal-Diamant dopat-ca filme de carbon (M-DLC)
Filmele de carbon-diamant (DLC) sunt utilizate pe scară largă pentru duritate ridicată, rezistență la uzură și rezistență la coroziune. Depunerea asistată cu-energie redusă de ioni produce filme DLC cu duritate de până la 5100HV. Experimentele arată că filmele DLC dopate cu metal-preparate prin depunere asistată cu fascicul ionic au o aderență excelentă a filmului-la substrat, o rugozitate a suprafeței extrem de scăzută și o rezistență superioară la uzură.
Iradierea fasciculului de ioni se sincronizează cu depunerea filmului, aplicând efecte de îmbunătățire și modificare a implantării ionice pe tot parcursul procesului, îmbunătățind aderența filmului-substratului, morfologia structurii, stresul filmului, densitatea și compoziția și proprietățile stratului de tranziție, producând filme subțiri superioare. În domeniile acoperirii dispozitivelor medicale, această tehnologie combinată cudeparte UVC 222Proprietățile germicide nm pot dezvolta suprafețe atât cu rezistență la uzură, cât și cu funcții de auto{0}}dezinfecție.
