磁気輸送（磁気フィルタ）真空アーク蒸着法

磁気輸送(磁気フィルタ)型真空アーク蒸着法

Uploaded July 03, 2014
Magnetically Transported Cathodic Vacuum Arc Deposition
Magnetically Filtered Arc Deposition (FAD)

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　装置構成はシールド法と比較して多少複雑になりますが，ドロップレットを効率的に除去する手法として，プラズマ磁気輸送法があります。これは，通常，真空アークプラズマ発生部と成膜プロセス部とが独立した構成をとり，磁界を用いて発生部からプロセス部へプラズマを輸送するものです。プラズマの輸送中にドロップレットを除去（フィルタリング）するため，一般に，フィルタードアーク（Filtered Arc）と呼ばれます。また，フィルタードアークを用いた蒸着をFAD（Filtered Arc Deposition）といいます。
　FAD装置は多くの種類があります。その一例を次に示します。

　(※ T-FAD装置は，本研究室で開発したものです。）

名称

モデル図

特徴など

直線状FAD
(Linear-FAD)

プラズマ発生部（陰極）と成膜室とを，直線状プラズマ輸送ダクトで接続。
プラズマ（電子とイオン）は，陰極から基板まで直線的に輸送される。
ドロップレットの一部は飛行中に落下。しかし，除去効率は低い。
成膜速度は比較的高い。

トーラス状FAD
（Torus-FAD）

プラズマ発生部（陰極）と成膜室とを，トーラス（中空ドーナツの一部）状プラズマ輸送ダクトで接続。
プラズマ（電子とイオン）は，陰極から基板まで湾曲して輸送される。最も，一般的な形状。様々な角度，長さのトーラスダクトが考案されている。
ドロップレットが溶融している場合（液体状の場合），ドロップレットは輸送ダクトの内壁に付着し，基板まで到達しないため，除去効率は低い。
ドロップレットが溶融していない場合（固体状の場合），ドロップレットはダクト内壁で反射して，成膜室まで到達してしまうので，除去効率は低い。
Linear-FADと比較すると成膜速度が低い。

T字状FAD
（T-FAD）

プラズマ発生部（陰極）と成膜室とを，T字状のプラズマ輸送ダクトで接続。
プラズマ（電子とイオン）は，T字状ダクトで 90°曲げられ成膜室に輸送。
中性粒子およびドロップレットはT字状ダクトを直線的に運動するため，プラズマから分離される。
固体状ドロップレットは，T字状ダクトの末端に配置された反射板で，貯留室に蓄えられる。従って，プラズマに再侵入したり，成膜室へ到達することはない。また，分離後のダクトが十分に長ければ，反射板や貯留室は必要ない。
Linear-FADと比較すると成膜速度が低い。Torus-FADと同程度の成膜速度が可能。

　磁界によってプラズマが輸送される原理は次のとおりです。これは，シールド法においても同様です。また，真空アークプラズマだけに限りません。

　磁界中に荷電粒子（電子・イオン）が入射すると，荷電粒子は磁界の影響を受け，磁力線に絡むようにサイクロトロン運動をします。サイクロトロン運動の半径はラーモア半径（Larmor radius）とよばれます。ラーモア半径 r_L (m) は，
　　　　　
で表されます。ここで，B；磁束密度 (T)，m ；荷電粒子の質量 (kg)，T：エネルギー (eV)，Z：価数，e：素電荷 (C) です。真空アークプラズマにおける代表的な荷電粒子のラーモア半径を計算した結果を下図に示します。　

　真空アークプラズマ内の電子のエネルギーは約 2 eV です。従って，外部磁界が約 1 mT および 10 mT のとき，ラーモア半径は，それぞれ，5 mm および 0.5 mm となります。一方，同様な磁界条件におけるイオンのラーモア半径は 20 mm～10 m（あるいはこれ以上）です。従って，真空アークプラズマに磁界を印加した場合，電子は容易に磁界に絡みますが，イオンはそうでもないということが分かります。しかし，電子とイオンとが分離しようとしても，クーロン力で引き戻されます（双極性拡散：ambipolar diffusion）。つまり，以上のことから，真空アークプラズマの磁気輸送では，「まず，電子が磁界によって輸送され，その電子の動きにイオンが追従する」，というふうにプラズマ自体が輸送されるということです。この様子を下図に示します。

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