陰極アーク堆積
陰極アーク蒸着法（アークPVD）は、電気アークを用い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に凝縮し、薄膜を形成します。この技術は、金属、セラミック、複合材料の薄膜の蒸着に使用できます。
歴史
近代的な陰極アーク堆積技術の産業利用は、 1960年から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。当時ソ連で開発されていた多くの設計の中で、 L. P. Sablevらによる設計はソ連国外での使用が許可されました。
プロセス
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。このアークは、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）高エネルギーの発光領域を生み出します。カソードスポットの局所的な温度は非常に高く（約15000℃）、その結果、蒸発したカソード材料が高速（10km/s）で噴出し、カソード表面にクレーターを形成します。このカソードスポットは短時間のみ活性化し、その後自己消火し、以前のクレーターに近い新たな領域で再点火します。この動作によって、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流す導体であるため、電磁場の適用によって影響を受ける可能性があり、実際にはこれを利用してアークをターゲットの表面全体に急速に移動させ、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有し、その結果、高い電離レベル（30～100%）、多価イオン、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により解離、電離、励起が起こり、複合膜が堆積されます。
アーク蒸着法の欠点の一つは、陰極点が蒸発点に長時間留まると、大量のマクロ粒子や液滴が噴出する可能性があることです。これらの液滴は密着性が低く、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、陰極ターゲット材料がアルミニウムなどの低融点材料である場合、陰極点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したり、冷却水がチャンバー内に入り込んだりする可能性があります。そのため、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。円筒形の陰極を使用する場合は、蒸着中に陰極を回転させることもできます。陰極点が長時間同じ位置に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。
機器設計
西側諸国で最も広く使用されているサブレフ型陰極アーク源は、短い円筒形の導電性ターゲットを陰極に配置し、一方の端を開放します。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（ストレリニツキーシールド）として機能します。このシステムの陽極は、真空チャンバーの壁または独立した陽極のいずれかです。アークスポットは、機械式トリガー（またはイグナイター）がターゲットの開放端に衝突し、陰極と陽極の間に一時的な短絡を形成することで生成されます。生成されたアークスポットは、磁場によって方向を変えたり、磁場がない場合にはランダムに移動したりすることができます。
陰極アーク源から放出されるプラズマビームには、原子または分子のより大きなクラスター（いわゆるマクロ粒子）が含まれており、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には様々な設計がありますが、最も研究されている設計は、1970年代にII Aksenovらが行った研究に基づいています。このフィルタは、アーク源から90度に曲げられた1/4トーラス状のダクトで構成され、プラズマはプラズマ光学の原理によってダクトから導出されます。
他にも興味深い設計があります。例えば、1990年代にDAカルポフが報告したように、円錐台形の陰極に直線状の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、現在に至るまで、ロシアおよび旧ソ連諸国の薄膜硬質膜コーティング業者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（延長アーク）または長方形にすることもできますが、どちらの設計もあまり普及していません。
アプリケーション
陰極アーク蒸着法は、切削工具の表面を保護し、寿命を大幅に延ばすための極めて硬い膜の合成に積極的に利用されています。この技術により、 TiN、TiAlN、CrN、ZrN、AlCrTiN、TiAlSiNなど、幅広い種類の薄膜硬質コーティング、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。
この方法は、特に炭素イオン蒸着法（CiO2）によるダイヤモンドライクカーボン（DLC）膜の形成に広く利用されています。イオンは表面から弾道的に噴射されるため、単一原子だけでなく、より大きな原子クラスターも放出されることがよくあります。そのため、この種のシステムでは、蒸着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。フィルタードアーク法で生成されたDLC膜には、四面体アモルファスカーボン（ta-C）として知られるsp 3ダイヤモンドが極めて多く含まれています。
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) 用の金属イオン/プラズマ源として使用できます。
参照
参考文献
- SVC「第51回年次技術会議議事録」（2008年）Society of Vacuum Coaters、ISSN 0737-5921（以前の議事録はSVC PublicationsからCDで入手可能）
- A. アンダース、「カソードアーク：フラクタルスポットから高エネルギー凝縮へ」（2008 年）Springer、ニューヨーク。
- RL Boxman、DM Sanders、PJ Martin（編）「真空アーク科学技術ハンドブック」（1995年）Noyes Publications、パークリッジ、ニュージャージー州
- Brown, IG, Annu. Rev. Mat. Sci. 28, 243 (1998).
- Sablevら、米国特許第3,783,231号、1974年1月1日
- Sablevら、米国特許第3,793,179号、1974年2月19日
- DAカルポフ、「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. スリンポン、「工具コーティングのための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、「曲線型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
