El principio del haz de iones de evaporación del haz de electrones LED UV lejano uvc 222 172nm y del haz de iones de pulverización catódica con magnetrón
9.3 Flujo de electrones del arco
En los últimos años, el flujo de electrones del arco de alta-energía y alta-densidad en la descarga del arco ha desempeñado un papel destacado en los procesos de recubrimiento iónico, como el calentamiento y limpieza de piezas de trabajo, la mejora de los efectos de ionización y la deposición de recubrimientos. Estos aspectos han sido introducidos en capítulos anteriores. Esta sección resume y organiza las características, los métodos de generación y las aplicaciones del flujo de electrones de arco, lo que permite a los lectores apreciar la importancia de utilizar plenamente el flujo de electrones de arco.
9.3.1 Características y métodos de generación del flujo de electrones del arco
1. Características del flujo de electrones del arco
La densidad del flujo de electrones, el flujo de iones y los átomos neutros de alta-energía en el plasma de arco generado por la descarga de arco es mucho mayor que la de la descarga luminosa. En el espacio de recubrimiento, hay más iones gaseosos, iones metálicos, átomos excitados de alta-energía y varios grupos activos, que desempeñan funciones importantes en las etapas de calentamiento, limpieza y recubrimiento del proceso de deposición. La forma de acción del flujo de electrones en arco difiere de la de los haces de iones; no converge completamente en un "haz", sino principalmente en un estado divergente, de ahí que se le llame flujo de electrones de arco. Dado que el flujo de electrones del arco se mueve hacia el ánodo, dondequiera que esté conectado el polo positivo de la fuente de alimentación del arco, el flujo de electrones del arco se dirigirá allí. El ánodo puede ser la pieza de trabajo, ánodo auxiliar, crisol, etc.
2. Métodos para generar flujo de electrones en arco
(1) Generación de fuente de gas del flujo de electrones del arco
La descarga de arco de cátodo hueco y la descarga de arco de filamento caliente pueden alcanzar corrientes de arco de alrededor de 200 A, con voltajes de arco de 50 ~ 70 V.
(2) Generación de fuente sólida de flujo de electrones de arco
Fuentes de arco catódico, incluidas fuentes de arco pequeñas, fuentes de arco columnares, fuentes de arco grandes planas rectangulares, etc. Cada descarga de fuente de arco catódico tiene una corriente de arco de 80 ~ 200 A y un voltaje de arco de 18 ~ 25 V. El flujo de electrones del arco de alta-densidad y baja-energía en ambos tipos de plasma de descarga de arco puede producir una intensa ionización por colisión con átomos de gas y recubrimiento metálico, produciendo más iones de gas, iones metálicos, varios átomos activos de alta-energía y grupos activos, aumentando así la actividad general de los iones de recubrimiento.
9.3.2 Aplicaciones del flujo de electrones en arco
1. Aplicaciones del flujo de electrones del arco con fuente de gas
1) Balzers Company inventó primero la máquina de revestimiento de iones de arco de filamento caliente
El flujo de electrones del arco emitido por la pistola de arco de filamento caliente de arriba a abajo hacia el ánodo puede controlar todo el proceso de calentamiento, limpieza y recubrimiento de la pieza de trabajo cambiando la posición del ánodo y las variaciones de la corriente electromagnética. Aunque esta máquina de recubrimiento ya no se utiliza para recubrimiento, todavía se emplea para calentar piezas de trabajo y limpiar por bombardeo.
2) La empresa Hauzer cambia la posición del ánodo
Utilizando únicamente efectos de campo eléctrico, el flujo de electrones del arco ioniza el gas argón durante el movimiento hacia el ánodo para producir un flujo de iones de argón de alta-densidad para la limpieza por bombardeo de piezas de trabajo; El gas nitrógeno ionizante produce un flujo de iones de nitrógeno de alta-densidad para la nitruración de iones de arco.
3) Inicialmente, las pistolas de cátodo hueco solo se usaban en máquinas de revestimiento de iones de cátodo hueco
Dalian Jingjing Technology Co., Ltd. instaló una pistola de cátodo hueco en una máquina de revestimiento de iones con fuente de arco pequeño como fuente de limpieza por bombardeo para piezas de trabajo, logrando buenos efectos de limpieza y mejorando el brillo de la superficie de la pieza de trabajo.
4) El Dr. Peng Hongjian instaló una pistola de cátodo hueco en una máquina de revestimiento de iones con fuente de arco pequeño
Mientras se recubre con la fuente de arco pequeño, la pistola de cátodo hueco se activa simultáneamente, utilizando un flujo de electrones de arco de alta-densidad para aumentar la probabilidad de colisión con las partículas de recubrimiento, refinando la estructura del recubrimiento. Figura 9-10 Imágenes de microscopio de fuerza atómica de la estructura del recubrimiento refinada por flujo de electrones de arco de cátodo hueco a) Corriente de pistola de cátodo hueco 0A b) Corriente de pistola de cátodo hueco 120A c) Corriente de pistola de cátodo hueco 140A d) Corriente de pistola de cátodo hueco 160A Nota: Esta figura fue proporcionada por el Dr. Peng Hongjian. Como se ve en la Figura 9-10, al aumentar la corriente de arco del cátodo hueco, las partículas grandes en el recubrimiento disminuyen y se refinan gradualmente, lo que indica que el flujo de electrones del arco de alta densidad puede refinar la estructura de los recubrimientos a partir de fuentes de arco catódico.
2. Aplicaciones del flujo de electrones en arco de fuente sólida
(1) Tecnología de limpieza de piezas de trabajo mejorada con flujo de electrones de arco
En los procesos de revestimiento iónico, la limpieza con iones de argón por descarga incandescente se utiliza generalmente para las piezas de trabajo, pero la densidad del flujo de iones de argón de la descarga incandescente es baja; El uso de iones de titanio del plasma con fuente de arco catódico para limpiar piezas de trabajo puede producir partículas grandes en la superficie. Ha surgido una nueva tecnología que utiliza el flujo de electrones del plasma de arco inducido en campo frío-emitido por fuentes de arco catódico para ionizar gas argón, produciendo iones de argón de baja-energía y alta-densidad para la limpieza de piezas de trabajo. Varias coincidencias de posición del cátodo-ánodo permiten que los campos eléctricos impulsen el flujo de electrones a cualquier posición del ánodo deseada. La limpieza por bombardeo con flujo de iones de argón de baja-energía y alta-densidad proporciona buenos efectos de limpieza y un alto brillo de la superficie de la pieza de trabajo. Este es el método más simple y de menor costo-para obtener un flujo de iones de argón de alta-densidad.
(2) Proceso de recubrimiento por pulverización catódica con magnetrón mejorado con flujo de electrones de arco
La tecnología de recubrimiento por pulverización catódica con magnetrón funciona en descarga luminiscente con baja densidad de plasma, lo que genera bajas tasas de deposición, baja adhesión del sustrato de la película-, bajas tasas de ionización del metal y baja energía de las partículas de recubrimiento, lo que dificulta la obtención de películas compuestas. En los últimos años, ha surgido una nueva tecnología mediante la configuración de fuentes de arco catódico en máquinas de pulverización catódica para mejorar el nivel de recubrimiento de pulverización catódica.
El flujo de electrones de arco de alta-densidad ioniza el gas argón para producir un flujo de iones de argón de alta-densidad para la limpieza por bombardeo de piezas de trabajo, reemplazando la limpieza por bombardeo de iones de titanio-utilizada desde hace mucho tiempo y mejorando los efectos decorativos para productos decorativos de alta-gama recubiertos por pulverización catódica con magnetrón.
El flujo de electrones de arco de alta-densidad ioniza el gas argón para producir un flujo de iones de argón de alta-densidad para la pulverización catódica objetivo, lo que aumenta las tasas de deposición.
Las fuentes de arco catódico combinadas en el recubrimiento de objetivos de pulverización catódica con magnetrón pueden recubrirse junto con los objetivos de pulverización catódica con magnetrón después de la limpieza de la pieza de trabajo, lo que permite obtener películas de aleación y películas multicapa.
Deposición asistida. Durante la participación del recubrimiento mediante fuentes de arco catódico, el flujo de electrones emitidos por encima de 100 A aumenta la tasa de ionización de los átomos del recubrimiento pulverizado, lo que facilita la formación de películas compuestas; más iones metálicos llegan a la pieza de trabajo, lo que aumenta las tasas de deposición por pulverización catódica del magnetrón. En el Capítulo 7, se presentó la máquina de revestimiento de iones de arco catódico columnar desarrollada por Platt Company, con una fuente de arco catódico columnar instalada en el medio como un objetivo de pulverización catódica de magnetrón columnar (modelo original m411). El objetivo de pulverización catódica del magnetrón medio utiliza objetivos aislantes cerámicos, mientras que las fuentes de arco columnar de puerta utilizan varios objetivos. Las dos fuentes diferentes de recubrimiento en columnas se recubren juntas para producir recubrimientos duros compuestos. Las fuentes de arco columnar de puerta pueden limpiar tubos objetivo y piezas de trabajo y servir como fuentes de recubrimiento, proporcionando los siguientes efectos durante el recubrimiento simultáneo con el objetivo columnar central:
La emisión de un flujo de electrones de alta-densidad aumenta la densidad de los iones de argón, lo que aumenta las tasas de deposición.
El flujo de electrones de alta-densidad aumenta la tasa de ionización de las partículas de recubrimiento pulverizadas, elevando las tasas de deposición y logrando 2 μm/h para recubrimientos duros compuestos.
Una tasa de ionización más alta mejora la actividad de varias partículas de recubrimiento, lo que facilita la deposición reactiva de recubrimientos duros compuestos. Este es un excelente ejemplo del uso de una fuente de arco catódico-flujo de electrones de arco emitido para mejorar el recubrimiento de pulverización catódica con magnetrón.
a) Evaporación por haz de electrones Deposición asistida por haz de iones
b) Deposición asistida por haz de iones mediante pulverización catódica con magnetrón
Estos utilizan haces de iones auxiliares. Los átomos de la película pulverizados desde el objetivo mediante haces de iones se depositan sobre el sustrato, mientras que la fuente de iones de la izquierda irradia la pieza de trabajo, logrando un recubrimiento por pulverización catódica y un bombardeo con haz de iones simultáneos. Las ventajas incluyen: las partículas pulverizadas tienen alta energía procedente de la pulverización catódica con haz de iones de alta-energía, lo que proporciona una buena adhesión al sustrato; combinaciones arbitrarias de elementos metálicos y no-metálicos permiten diversos tipos de películas; El alto vacío durante el recubrimiento favorece un excelente rendimiento de las películas delgadas.
(3) Método convencional de recubrimiento por pulverización catódica con magnetrón
La pulverización catódica con magnetrón convencional tiene una baja tasa de ionización de metales, lo que dificulta la deposición reactiva de películas compuestas. Ahora, el recubrimiento objetivo de pulverización catódica con magnetrón se combina con el bombardeo asistido por haz de iones para mejorar la calidad del recubrimiento, la adhesión del sustrato de la película-y la tasa de ionización de las partículas del recubrimiento, lo que aumenta las tasas de deposición y facilita la formación de películas delgadas compuestas. Esta tecnología se aplica ampliamente en los campos de maquinaria, aeroespacial, información, arquitectura y decoración. Las fuentes de iones de capa anódica de tira larga son más adecuadas para el recubrimiento de productos planos-de área grande. En determinadas aplicaciones ópticas, esta tecnología asistida puede combinarLED ultravioleta de 172 nmolejos UVC 222Fuentes de luz de nm para activación de superficies, mejorando aún más el rendimiento de la película.
(4) Aplicaciones de la tecnología de deposición asistida por haz de iones
La deposición asistida por haz de iones (IBAD) ha sintetizado con éxito nuevos materiales y preparado películas delgadas de alto-rendimiento, encontrando aplicaciones en películas aislantes, películas protectoras, películas ópticas, recubrimientos de espejos láser para dispositivos electrónicos y películas-resistentes al desgaste y a la corrosión-para herramientas, moldes y rodamientos.
1) Mejora de la densidad de la película
La primera aplicación de la deposición asistida por haz de iones fue en películas delgadas funcionales para propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas. Las fuentes de iones de baja-energía proporcionan bombardeo asistido, controlando con precisión la estructura y la densidad de la película con haces de iones. La Figura 9-8 muestra que la deposición asistida por iones aumenta la densidad de las estructuras de recubrimiento por evaporación por haz de electrones. Una mayor densidad de la película reduce la porosidad, mejora la adhesión y proporciona una alta resistencia al daño láser con baja dispersión óptica. En sistemas ópticos ultravioleta profundo, combinandolejos UVC 222Las fuentes de luz de nm pueden optimizar aún más la estabilidad de la película en longitudes de onda cortas.
2) Obtención de Películas Delgadas Funcionales con Composición Estequiométrica
Las películas ópticas comunes son películas de óxido como [varios óxidos]. La evaporación directa de estos óxidos durante el recubrimiento provoca una deficiencia de oxígeno, lo que afecta el rendimiento de la película óptica. La deposición mejorada por haz de iones de oxígeno compensa la pérdida de oxígeno durante la deposición, produciendo películas ópticas de alta-calidad. Para ciertos recubrimientos ópticos que requieren extrema pureza y propiedades antibacterianas, auxiliaresLED ultravioleta de 172 nmse puede introducir para la desinfección y activación de superficies, garantizando películas-libres de contaminación.
3) Obtención de películas de carbono tipo metal-diamante dopado-(M-DLC)
Las películas de carbono-similares al diamante (DLC) se utilizan ampliamente por su alta dureza, resistencia al desgaste y a la corrosión. La deposición asistida por haz de iones de baja-energía produce películas DLC con una dureza de hasta 5100HV. Los experimentos muestran que las películas de DLC dopadas con metal-preparadas mediante deposición asistida por haz de iones tienen una excelente adhesión al sustrato de la película-, una rugosidad superficial extremadamente baja y una resistencia al desgaste superior.
La irradiación con haz de iones se sincroniza con la deposición de la película, aplicando efectos de mejora y modificación de la implantación de iones durante todo el proceso, mejorando la adhesión del sustrato de la película-, la morfología de la estructura, la tensión de la película, la densidad y la composición y propiedades de la capa de transición, lo que produce películas delgadas superiores. En los campos de recubrimiento de dispositivos médicos, esta tecnología combinada conlejos UVC 222Las propiedades germicidas de nm pueden desarrollar superficies con funciones tanto de resistencia al desgaste como de auto-desinfección.
