陰極アーク堆積

陰極アーク蒸着または Arc-PVD は、電気アークを使用して陰極ターゲットから材料を気化させる物理蒸着技術である。気化した材料は、基板上で凝縮し、薄膜を形成する。この技術は、金属、セラミックおよび複合フィルムを蒸着するために使用することができる。

プロセス

アーク蒸発プロセスは、陰極として知られる小さな（通常、数マイクロメートルの幅の）高エネルギー発光領域を生じる陰極（ターゲットとして知られる）の表面上の高電流、低電圧アークの打ち込みから始まるスポット。カソードスポットでの局部的な温度は非常に高く（約15000℃）、これにより蒸気化されたカソード材料の高速（10km / s）ジェットとなり、カソード表面上にクレーターが残る。陰極点は、短時間だけ活動し、その後、直前のクレーターに近い新しい領域で自己消火して再点火する。この動作により、円弧の見かけの動きが生じます。

アークは基本的に電流を伝達する導体であるので、実際にはアークをターゲットの表面全体に速やかに移動させるために使用される電磁場の印加の影響を受けて全表面が経時的に侵食される。

アークは、非常に高い電力密度を有し、高いレベルのイオン化（30〜100％）、複数の荷電イオン、中性粒子、クラスターおよびマクロ粒子（小滴）をもたらす。蒸発プロセス中に反応性ガスが導入されると、イオンフラックスとの相互作用中に解離、イオン化および励起が起こり、化合物膜が堆積する。

アーク蒸発プロセスの1つの欠点は、カソードスポットが蒸発点に長時間滞在すると、大量のマクロ粒子または液滴を排出することができることである。これらの液滴は、接着が不十分であり、コーティングを通って延びることができるので、コーティングの性能に有害である。陰極ターゲット材料がアルミニウムなどの低融点を有する場合、陰極スポットがターゲットを通って蒸発して、ターゲットバッキングプレート材料が蒸発するか、または冷却水がチャンバに入る。従って、前述の磁場はアークの運動を制御するために使用される。円筒形陰極を使用する場合、陰極は、堆積の間に回転させることもできる。陰極スポットが1つの位置に残らないようにすることにより、アルミニウムターゲットを長時間使用することができ、液滴の数が減少する。一部の企業では、磁界を使って液滴をコーティングフラックスから分離するフィルタリングされたアークも使用しています。

機器設計

西洋で最も広く使用されているSablevタイプの陰極アーク源は、1つの開放端を有する陰極に短い円筒形状の導電性ターゲットからなる。このターゲットには、アーク閉じ込めリング（Strel'nitskijシールド）として機能するように取り囲まれた電気的に浮動する金属リングがあります。システム用のアノードは、真空チャンバの壁でもよいし、別個のアノードでもよい。アークスポットは、ターゲットの開放端に当たる機械的トリガ（またはイグナイタ）によって生成され、カソードとアノードとの間の一時的な短絡を引き起こす。アークスポットが生成された後、これらのアークスポットは磁場によって操縦されるか、または磁場が存在しない場合にランダムに移動することができる。

Cathodic Arcソースからのプラズマビームには、何らかのフィルタリングなしでいくつかのアプリケーションで有用でないような原子または分子（いわゆるマクロ粒子）のより大きなクラスターが含まれています。マクロ粒子フィルタには多くの設計があり、最も研究された設計はII Aksenov et al。 70年代にそれは、アーク源から90度に曲げられた4分の1トーラスダクトで構成され、プラズマはプラズマ光学の原理によってダクトの外に導かれる。

90年代にDA Karpovによって報告されたように、円錐台形状の陰極を内蔵したストレートダクトフィルタを組み込んだ設計など、他の興味深い設計もあります。この設計は、現在までロシアや旧ソ連諸国の硬質薄膜コーターと研究者の間で非常に人気がありました。陰極アーク源は、長い管状（長楕円形）または長い矩形に作ることができるが、どちらの設計もあまり一般的ではない。

アプリケーション

Cathodicアーク蒸着は、切削工具の表面を保護し、寿命を大幅に延ばすために、非常に硬いフィルムを合成するために積極的に使用されています。 TiN 、 TiAlN 、 CrN 、 ZrN 、 AlCrTiN および TiAlSiN を含む、この技術によって幅広い種類の硬質薄膜、スーパーハードコーティングおよびナノコンポジットコーティングを合成することができる。

これは、ダイヤモンドライクカーボン膜を形成するために、特に炭素イオン堆積のために非常に広範に使用される。イオンは弾道的に表面から吹き飛ばされるので、単一の原子だけでなく、より大きな原子のクラスターが放出されるのが一般的である。したがって、この種のシステムは、堆積前に原子クラスターをビームから除去するためのフィルターを必要とする。ろ過されたアークからのDLCフィルムは、四面体アモルファス炭素または ta-C として知られているsp ³ダイヤモンドの極めて高いパーセンテージを含む。

フィルタリングされた陰極アークは、イオン注入およびプラズマ浸漬イオン注入および堆積（PIII＆D）のための金属イオン/プラズマ源として使用することができる。