陰極アーク堆積

陰極アーク蒸着法またはアーク PVD​​は、電気アークを使用して陰極ターゲットから材料を蒸発させる物理蒸着法です。蒸発した材料は基板上で凝縮し、薄膜を形成します。この技術は、金属、セラミック、複合フィルムの蒸着に使用できます。

現代の陰極アーク堆積技術の産業利用は、 1960～1970年頃にソビエト連邦で始まりました。1970年代後半までに、ソビエト政府はこの技術の使用を西側諸国に許可しました。当時のソ連の多くの設計の中で、L. P. Sablev らによる設計は、ソ連外での使用が許可されました。

アーク蒸発プロセスは、高電流、低電圧のアークがカソード（ターゲットと呼ばれる）の表面に衝突することから始まります。これにより、カソードスポットと呼ばれる小さな（通常、数マイクロメートル幅）高エネルギーの放出領域が発生します。カソードスポットの局所的な温度は非常に高く（約 15000 °C）、その結果、蒸発したカソード材料の高速（ 10 km/s）ジェットが発生し、カソード表面にクレーターが残ります。カソードスポットは短時間のみアクティブで、その後自動的に消え、以前のクレーターに近い新しい領域で再点火します。この動作により、アークが見かけ上動いているように見えます。

アークは基本的に電流を運ぶ導体であるため、電磁場の適用によって影響を受ける可能性があり、実際には、電磁場はターゲットの表面全体にアークを急速に移動させるために使用され、時間の経過とともに表面全体が侵食されます。

アークは極めて高い電力密度を持ち、その結果、高レベルのイオン化（30～100%）、複数の荷電イオン、中性粒子、クラスター、マクロ粒子（液滴）が発生します。蒸発プロセス中に反応性ガスが導入されると、イオン流との相互作用中に解離、イオン化、励起が発生し、複合膜が堆積されます。

アーク蒸着プロセスの欠点の 1 つは、カソード スポットが蒸発点に長時間留まると、大量のマクロ粒子または液滴が放出される可能性があることです。これらの液滴は付着性が低く、コーティングを貫通する可能性があるため、コーティングの性能に悪影響を及ぼします。さらに悪いことに、カソード ターゲット材料がアルミニウムなどの低融点の場合、カソードスポットがターゲットを貫通して蒸発し、ターゲットのバッキング プレート材料が蒸発するか、冷却水がチャンバー内に入る可能性があります。したがって、前述のように磁場を使用してアークの動きを制御します。円筒形のカソードを使用する場合は、蒸着中にカソードを回転させることもできます。カソード スポットが 1 つの位置に長時間留まらないようにすることで、アルミニウム ターゲットを使用でき、液滴の数を減らすことができます。一部の企業では、磁場を使用し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ー アークも使用しています。

西側諸国で最も広く使用されている Sablev タイプの陰極アーク源は、片方の端が開いた陰極にある短い円筒形の導電性ターゲットで構成されています。このターゲットは、電気的に浮遊する金属リングで囲まれており、アーク閉じ込めリング (Strel'nitskij シールド) として機能します。システムの陽極は、真空チャンバーの壁または個別の陽極のいずれかです。アーク スポットは、ターゲットの開いた端に機械的トリガー (または点火装置) が当たって陰極と陽極の間に一時的な短絡が生じることで生成されます。アーク スポットは、生成された後、磁場によって方向付けられるか、磁場がない場合にランダムに移動します。

陰極アーク源からのプラズマビームには、原子または分子の大きなクラスター (いわゆるマクロ粒子) が含まれているため、何らかのフィルタリングを行わないと、一部の用途には役立ちません。マクロ粒子フィルターにはさまざまな設計がありますが、最も研究されている設計は、70 年代の II Aksenov らの研究に基づいています。これは、アーク源から 90 度に曲げられた 1/4 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から誘導されます。

他にも興味深い設計があります。たとえば、1990 年代に DA Karpov が報告したように、円錐台形の陰極を内蔵した直線ダクト フィルターを組み込んだ設計があります。この設計は、現在までロシアと旧ソ連諸国の薄膜硬質フィルム コーターと研究者の間で非常に人気があります。陰極アーク源は、長い管状 (拡張アーク) または長い長方形にすることができますが、どちらの設計もあまり人気がありません。

陰極アーク蒸着法は、切削工具の表面を保護し、その寿命を大幅に延ばすために、極めて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。この技術により、 TiN、TiAlN、CrN、ZrN、AlCrTiN、TiAlSiNなど、さまざまな薄い硬質フィルム、超硬質コーティング、ナノ複合コーティングを合成できます。

これは、特にダイヤモンドのような炭素膜を作成するための炭素イオン堆積に広く使用されています。イオンは表面から弾道的に噴射されるため、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ことがよくあります。したがって、この種のシステムでは、堆積前にビームから原子クラスターを除去するフィルターが必要です。フィルターアークからの DLC 膜には、四面体アモルファス炭素( ta-C)として知られるsp ³ダイヤモンドが極めて高い割合で含まれています。

フィルター付き陰極アークは、イオン注入やプラズマ浸漬イオン注入および堆積(PIII&D) の金属イオン/プラズマ源として使用できます。

• イオンビーム蒸着
• 物理蒸着

• SVC「第51回年次技術会議議事録」（2008年）真空コーティング協会、ISSN 0737-5921（以前の議事録はSVC PublicationsからCDで入手可能）
• A. Anders、「陰極アーク：フラクタルスポットからエネルギー凝縮まで」（2008 年）Springer、ニューヨーク。
• RL Boxman、DM Sanders、PJ Martin (編集者)「真空アーク科学技術ハンドブック」(1995) Noyes Publications、ニュージャージー州パークリッジ
• Brown, IG, Annu. Rev. Mat. Sci. 28, 243 (1998).
• Sablev 他、米国特許 #3,783,231、1974 年 1 月 1 日
• Sablev 他、米国特許 #3,793,179、1974 年 2 月 19 日
• DA Karpov、「陰極アーク源とマクロ粒子フィルタリング」、表面およびコーティング技術 96 (1997) 22-23
• S. Surinphong、「工具コーティング用PVDシステムとコーティングに関する基礎知識」（1998年）、タイ語
• AIモロゾフ、ソ連科学アカデミー報告書、163（1965）1363、ロシア語
• II Aksenov、VA Belous、VG Padalka、VM Khoroshikh、「曲線プラズマ光学システムにおけるプラズマ流の輸送」、Soviet Journal of Plasma Physics、4 (1978) 425
• https://www.researchgate.net/publication/273004395_Arc_source_designs
• https://www.researchgate.net/publication/234202890_Transport_of_plasma_streams_in_a_curvilinear_plasma-optics_system