deposiciÓn por arco cÁtodico (pulsado y continuo

DEPOSICIÓN POR ARCO DEPOSICIÓN POR ARCO CÁTODICO (PULSADO Y CÁTODICO (PULSADO Y

CONTINUO)CONTINUO)

Miguel Ángel Narváez ArdilaMiguel Ángel Narváez ArdilaIngeniería MecánicaIngeniería Mecánica

Universidad Nacional De ColombiaUniversidad Nacional De Colombia

INTRODUCCIÓN AL ARCOINTRODUCCIÓN AL ARCO

Las descargas por arco fueron descubiertas a comienzos Las descargas por arco fueron descubiertas a comienzos del siglo XIX, pero los esfuerzos serios en cuanto a sus del siglo XIX, pero los esfuerzos serios en cuanto a sus explicaciones físicas y en especial en el modelamiento de explicaciones físicas y en especial en el modelamiento de procesos electródicos se dieron un siglo después. Entre procesos electródicos se dieron un siglo después. Entre las primeras investigaciones se podrían mencionar los las primeras investigaciones se podrían mencionar los trabajos de Stark y después los de Compton, quien trabajos de Stark y después los de Compton, quien propone la emisión termoiónica como la principal fuente de propone la emisión termoiónica como la principal fuente de electrones en el cátodo; mientras que Langmuir y electrones en el cátodo; mientras que Langmuir y Mackeown defienden la emisión de campo. La importancia Mackeown defienden la emisión de campo. La importancia del flujo iónico del plasma catódico en la superficie del del flujo iónico del plasma catódico en la superficie del cátodo fue subrayada por Slepian, Weizel, Rompe y Schon cátodo fue subrayada por Slepian, Weizel, Rompe y Schon y después por Ecker. Una capa densa de vapor fue y después por Ecker. Una capa densa de vapor fue asumida por Rothstein y la posible regla de excitación asumida por Rothstein y la posible regla de excitación atómica e iones impactando la superficie catódica fue atómica e iones impactando la superficie catódica fue señalada especialmente por V. Engel y Robson.señalada especialmente por V. Engel y Robson.

HistoriaHistoria


El arco puede definirse como una descarga que El arco puede definirse como una descarga que es sostenida por si sola con una baja caída de es sostenida por si sola con una baja caída de potencial en la región catódica (potencial de potencial en la región catódica (potencial de excitación o ionización de átomos: 10 eV). Esto excitación o ionización de átomos: 10 eV). Esto deriva de la existencia de mecanismos de deriva de la existencia de mecanismos de emisión de electrones muy eficientes (emisión emisión de electrones muy eficientes (emisión termoiónica, emisión por campo o emisión termoiónica, emisión por campo o emisión termoiónica por campo) que hacen innecesaria termoiónica por campo) que hacen innecesaria la ampliación de corriente operada en la caída la ampliación de corriente operada en la caída catódica de una descarga glow. catódica de una descarga glow.

Características generales de los Características generales de los arcosarcos


La descarga glowLa descarga glow es una descarga es una descarga autosostenida en la cual los electrones son autosostenida en la cual los electrones son emitidos principalmente por bombardeo iónico emitidos principalmente por bombardeo iónico de un cátodo frío; en otras palabras es una de un cátodo frío; en otras palabras es una descarga eléctrica autosostenida que se descarga eléctrica autosostenida que se produce en un medio gaseoso. produce en un medio gaseoso.

Características generales de los Características generales de los arcosarcos

Zonas luminosas y zonas oscuras de la descarga glow en un tubo.


Esta clasificación se basa en las características Esta clasificación se basa en las características del proceso de emisión catódica, el estado del del proceso de emisión catódica, el estado del plasma en la columna positiva o el medio en el plasma en la columna positiva o el medio en el cual se sostiene la corriente. Los cuales son:cual se sostiene la corriente. Los cuales son:

Arco con cátodo calienteArco con cátodo calienteArco con calentamiento catódico externoArco con calentamiento catódico externoArcos con cátodo frío (spots)Arcos con cátodo frío (spots)Arco en vacío (Vacuum arc)Arco en vacío (Vacuum arc)Arcos de alta presiónArcos de alta presiónArcos de muy alta presiónArcos de muy alta presiónArcos de baja presiónArcos de baja presión

Tipos de arcoTipos de arco

INTRODUCCIÓN AL ARCOINTRODUCCIÓN AL ARCOTransición glow - arcoTransición glow - arco

Curva típica del voltaje interelectródico en función de la corriente a través del circuito.

EVAPORACIÓN POR ARCOEVAPORACIÓN POR ARCOGeneralidadesGeneralidades

Vapor generado en una descarga por arco.

EVAPORACIÓN POR ARCOEVAPORACIÓN POR ARCO

Los spots se han clasificado o se han Los spots se han clasificado o se han identificado en dos tipos, el tipo 1 el cual se identificado en dos tipos, el tipo 1 el cual se encuentra en conducción a través de encuentra en conducción a través de superficies contaminadas (con óxidos), y el superficies contaminadas (con óxidos), y el tipo 2 el cual se encuentra en conducción a tipo 2 el cual se encuentra en conducción a través de superficies limpias en las cuales se través de superficies limpias en las cuales se encuentra pocas monocapa de gas absorbido. encuentra pocas monocapa de gas absorbido. Las tipo 1 tienen una baja tasa de erosión Las tipo 1 tienen una baja tasa de erosión catódica además de un distanciamiento catódica además de un distanciamiento grande entre los spots. Las tipo 2 al contrario grande entre los spots. Las tipo 2 al contrario presentan unas altas tasas de erosión lo que presentan unas altas tasas de erosión lo que genera una cadena de cráteres en el cátodo.genera una cadena de cráteres en el cátodo.

Tipos de spotTipos de spot

EVAPORACIÓN POR ARCOEVAPORACIÓN POR ARCOGotas y partículas residualesGotas y partículas residuales

Evaporación por arco y generación de micro gotas.

EVAPORACIÓN POR ARCOEVAPORACIÓN POR ARCOMovimiento de los spotsMovimiento de los spots

Esquema del modelo del movimiento dinámico de los spots.

RECUBRIMIENTOS POR ARCO RECUBRIMIENTOS POR ARCO EN VACÍOEN VACÍO

Este sistema basa la evaporación y obtención de los Este sistema basa la evaporación y obtención de los iones de metal, en el efecto que produce un arco iones de metal, en el efecto que produce un arco voltaico de alto amperaje generado sobre la voltaico de alto amperaje generado sobre la superficie de este material (cátodo). Los iones, son superficie de este material (cátodo). Los iones, son focalizados por un campo magnético, acelerados y focalizados por un campo magnético, acelerados y proyectados sobre la pieza a recubrir por acción de proyectados sobre la pieza a recubrir por acción de una diferencia de potencial existente entre las piezas una diferencia de potencial existente entre las piezas y la cámara del reactor. La energía cinética de los y la cámara del reactor. La energía cinética de los iones se transforma en calorífica al chocar contra la iones se transforma en calorífica al chocar contra la pieza y mantiene la temperatura durante la fase de pieza y mantiene la temperatura durante la fase de recubrimiento. Los compuestos se forman al recubrimiento. Los compuestos se forman al introducir, en la cámara, gases reactivos de distinta introducir, en la cámara, gases reactivos de distinta naturaleza a bajas presiones. naturaleza a bajas presiones.

PrincipioPrincipio


EquipoEquipo

Equipo para la deposición por arco catódico.


EquipoEquipo


ResumenResumen


Los sistemas de recubrimientos basados Los sistemas de recubrimientos basados en arcos pueden ser descritos por tres en arcos pueden ser descritos por tres características básicas: duración del características básicas: duración del pulso, electrodo donde se produce el pulso, electrodo donde se produce el vapor y filtrado de macropartículas. vapor y filtrado de macropartículas.

DURACIÓN DEL PULSODURACIÓN DEL PULSO

De acuerdo con la duración del pulso se De acuerdo con la duración del pulso se pueden tener dos categorías las cuales pueden tener dos categorías las cuales pueden ser delineadas por la fuente de pueden ser delineadas por la fuente de potencia del arco. Si el arco es sostenido potencia del arco. Si el arco es sostenido solamente por la duración de la descarga solamente por la duración de la descarga de un capacitor, se denomina fuente de de un capacitor, se denomina fuente de arco pulsado. Si el arco es sostenido por arco pulsado. Si el arco es sostenido por una fuente de corriente DC, es llamada una fuente de corriente DC, es llamada fuente de arco continuo, o en algunos fuente de arco continuo, o en algunos casos cuasi continuos. casos cuasi continuos.

GeneralidadesGeneralidades

DURACIÓN DEL PULSODURACIÓN DEL PULSOArco pulsado y continuoArco pulsado y continuo

Rasgos de arcos: a) continúo; b) pulsado.

DURACIÓN DEL PULSODURACIÓN DEL PULSOGeneración pulsoGeneración pulso


Arco pulsadoArco pulsado: Debido a la corta duración del : Debido a la corta duración del arco no es necesario el enfriamiento del arco no es necesario el enfriamiento del cátodo, y con esto se simplifica el diseño y cátodo, y con esto se simplifica el diseño y cambio de material del cátodo. Por otra parte cambio de material del cátodo. Por otra parte existen complicaciones en el diseño del existen complicaciones en el diseño del confinamiento del spot del arco a la superficie confinamiento del spot del arco a la superficie cátodo debido a la duración muy corta del arco cátodo debido a la duración muy corta del arco que no deja tiempo para que el spot de arco que no deja tiempo para que el spot de arco llegue ala superficie del cátodo, para esto se llegue ala superficie del cátodo, para esto se debe tener un sistema de ignición confiable, debe tener un sistema de ignición confiable, todo esto lleva a una tasa baja de deposición. todo esto lleva a una tasa baja de deposición.

Comparación pulsado y continuoComparación pulsado y continuo


Arco continúoArco continúo: Estas a diferencia del pulsado : Estas a diferencia del pulsado tienen altas tasas de deposición por tienen altas tasas de deposición por comportamiento, pero esto eleva la comportamiento, pero esto eleva la temperatura del cátodo lo que obliga a diseñar temperatura del cátodo lo que obliga a diseñar el cátodo para que disipe ese calor, lo que el cátodo para que disipe ese calor, lo que conlleva a dificultades en el cambio de cátodo conlleva a dificultades en el cambio de cátodo y limitaciones en el material de conductividad y limitaciones en el material de conductividad térmica baja para la elaboración de este. El térmica baja para la elaboración de este. El confinamiento del arco es esencial ya que se confinamiento del arco es esencial ya que se pueden presentar daños en el soporte de este pueden presentar daños en el soporte de este y contaminación del recubrimiento si el spot de y contaminación del recubrimiento si el spot de arco sale de la superficie deseada del cátodo. arco sale de la superficie deseada del cátodo.

Comparación pulsado y continuoComparación pulsado y continuo

FILTROS DE LAS FILTROS DE LAS MACROPARTÍCULASMACROPARTÍCULAS

Si el diseño de la fuente Si el diseño de la fuente enfrenta la pieza de enfrenta la pieza de trabajo sobre una línea trabajo sobre una línea de vista directa del spot de vista directa del spot de arco, y se provee un de arco, y se provee un mecanismo para guiar mecanismo para guiar el plasma de arco el plasma de arco producido hasta la pieza producido hasta la pieza de trabajo la fuente es de trabajo la fuente es definida como “filtrada”.definida como “filtrada”.

FiltraciónFiltración


Diseño de filtrosDiseño de filtros

Arquitectura Cerrada

Arquitectura Abierta

Categorizadopor



Arquitectura cerrada



Rectilínea y abierto

ARTÍCULOARTÍCULO

Estudio del plasma dentro de un filtro Estudio del plasma dentro de un filtro magnético en vacíomagnético en vacío

H. KELLY, A. MARQUEZ y M. PIRRERAH. KELLY, A. MARQUEZ y M. PIRRERA

Instituto de Física del Plasma, CONICET-Dpto. Instituto de Física del Plasma, CONICET-Dpto. de Física, FCEN, UBA (Universidad de de Física, FCEN, UBA (Universidad de

Buenos Aires)Buenos Aires)

ARTÍCULOARTÍCULO

En el artículo se presenta una caracterización del flujo iónico En el artículo se presenta una caracterización del flujo iónico generado por un arco continuo filtrado magnéticamente y operado generado por un arco continuo filtrado magnéticamente y operado en vacío. El equipo incluye una cámara de descarga (donde se en vacío. El equipo incluye una cámara de descarga (donde se genera un plasma metálico), acoplada a una cámara de deposición genera un plasma metálico), acoplada a una cámara de deposición (donde se coloca un substrato) mediante un filtro magnético en (donde se coloca un substrato) mediante un filtro magnético en forma de cuarto de toroide. El arco se realiza entre un cátodo forma de cuarto de toroide. El arco se realiza entre un cátodo cilíndrico y un ánodo anular refrigerados con agua, ambos de Cobre, cilíndrico y un ánodo anular refrigerados con agua, ambos de Cobre, con una corriente continua de 100 A. El filtro consiste en un cilindro con una corriente continua de 100 A. El filtro consiste en un cilindro de acero inoxidable doblado a 90º y con paredes corrugadas, de 500 de acero inoxidable doblado a 90º y con paredes corrugadas, de 500 mm. de largo y 100 mm. de diámetro interno, rodeado de bobinas mm. de largo y 100 mm. de diámetro interno, rodeado de bobinas generadoras de campo magnético. La intensidad de este campo es generadoras de campo magnético. La intensidad de este campo es suficiente para magnetizar los electrones pero no los iones, y su suficiente para magnetizar los electrones pero no los iones, y su máximo valor es ~ 260 G en el codo del filtro. Además el sistema máximo valor es ~ 260 G en el codo del filtro. Además el sistema cuenta con la posibilidad de polarizar el filtro toroidal mediante una cuenta con la posibilidad de polarizar el filtro toroidal mediante una fuente DC independiente. Se presentan las mediciones de los fuente DC independiente. Se presentan las mediciones de los potenciales flotantes del filtro y del plasma, y la corriente iónica potenciales flotantes del filtro y del plasma, y la corriente iónica colectada por sondas en diferentes posiciones en función del campo colectada por sondas en diferentes posiciones en función del campo magnético y del potencial de polarización del filtro.magnético y del potencial de polarización del filtro.

ResumenResumen

ARTÍCULOARTÍCULOEquipoEquipo

ARTÍCULOARTÍCULO

El diseño del equipo permite que el filtro se El diseño del equipo permite que el filtro se pueda mantener a un potencial electrostático pueda mantener a un potencial electrostático flotante (Vflotante (Vffff), o bien se pueda polarizar (V), o bien se pueda polarizar (V fpfp), ), mediante una fuente DC independiente. A la mediante una fuente DC independiente. A la salida del filtro se acopla, a través de una pieza salida del filtro se acopla, a través de una pieza aislante de PVC, la cámara de deposición. La aislante de PVC, la cámara de deposición. La misma tiene forma de cruz, y cuyos cuatros misma tiene forma de cruz, y cuyos cuatros extremos se conectan, uno al filtro, el segundo extremos se conectan, uno al filtro, el segundo al sistema de vacío, en el tercero se ubica el al sistema de vacío, en el tercero se ubica el portasubstrato y en el cuarto se usa como un portasubstrato y en el cuarto se usa como un puerto de diagnóstica de presión.puerto de diagnóstica de presión.

ExperimentaciónExperimentación

ARTÍCULOARTÍCULO

Para caracterizar el plasma se utilizó un electrodo plano Para caracterizar el plasma se utilizó un electrodo plano de sección circular cuyo diámetro es (7.0 ±0.1) cm. El de sección circular cuyo diámetro es (7.0 ±0.1) cm. El mismo tiene la posibilidad posicionarse en tres mismo tiene la posibilidad posicionarse en tres posiciones distintas, a la entrada del filtro (posición A), posiciones distintas, a la entrada del filtro (posición A), cercano al codo del toroide (posición B) y a la salida cercano al codo del toroide (posición B) y a la salida (posición C); tal como se esquematiza en la Figura 2.(posición C); tal como se esquematiza en la Figura 2.El electrodo puede mantenerse a potencial electrostático El electrodo puede mantenerse a potencial electrostático flotante (Vflotante (Vsfsf) o bien polarizado a un potencial fijo (V) o bien polarizado a un potencial fijo (Vspsp, , usualmente negativo para colectar iones). Para polarizar usualmente negativo para colectar iones). Para polarizar la sonda se uso una fuente de tensión de corriente la sonda se uso una fuente de tensión de corriente máxima de 1.5 A con Vmáxima de 1.5 A con Vspsp = (- 70 ± 1) V. = (- 70 ± 1) V.

ExperimentaciónExperimentación

ARTÍCULOARTÍCULOExperimentaciónExperimentación

ARTÍCULOARTÍCULOResultadosResultados

ARTÍCULOARTÍCULO

Se observa el crecimiento de ISe observa el crecimiento de Iss con B con Bfiltrofiltro, lo que indica , lo que indica una disminución de las pérdidas electrónicas en la una disminución de las pérdidas electrónicas en la superficie lateral del filtro, debido a la mayor superficie lateral del filtro, debido a la mayor magnetización (confinamiento) electrónica. magnetización (confinamiento) electrónica. Definiendo la eficiencia ε del filtro como el cociente entre Definiendo la eficiencia ε del filtro como el cociente entre la Is de salida y la de entrada, entonces ε ~ 0.003 la Is de salida y la de entrada, entonces ε ~ 0.003 cuando el filtro está flotante. En cambio, manteniendo cuando el filtro está flotante. En cambio, manteniendo BBfiltrofiltro= 257 G y polarizando el filtro se observa que = 257 G y polarizando el filtro se observa que aumenta sustancialmente la corriente a la salida del aumenta sustancialmente la corriente a la salida del filtro, lográndose una Ifiltro, lográndose una Ismáximasmáxima ~ 45mA para V ~ 45mA para Vfpfp > 15 V (ε ~ > 15 V (ε ~ 0.045). Con el filtro polarizado la corriente resulta 15 0.045). Con el filtro polarizado la corriente resulta 15 veces superior al valor obtenido con filtro flotante. veces superior al valor obtenido con filtro flotante.

Discusión de resultadosDiscusión de resultados

ARTÍCULOARTÍCULO

En conclusión el equipo DFC2 opera En conclusión el equipo DFC2 opera óptimamente con Bfiltro= 257 G y Vóptimamente con Bfiltro= 257 G y Vfpfp>15V, >15V, valores para los cuales se logra la mayor valores para los cuales se logra la mayor corriente iónica sobre el substrato. En el corriente iónica sobre el substrato. En el futuro inmediato se adicionará un campo futuro inmediato se adicionará un campo magnético de focalización a la entrada del magnético de focalización a la entrada del filtro para mejorar la entrada de iones al filtro para mejorar la entrada de iones al filtro y así mejor la eficiencia final.filtro y así mejor la eficiencia final.

ConclusiónConclusión

deposiciÓn por arco cÁtodico (pulsado y continuo

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