Kathodische Lichtbogenverdampfung (Arc-PVD)

Die kathodische Lichtbogenverdampfung (engl. cathodic arc evaporation), auch vereinfacht als Arc-PVD bekannt, stellt die industriell bedeutsamste PVD-Technologie zur Herstellung von Dünnschichten dar. In diesem Verfahren wird zwischen dem kathodisch geschalteten Target und der Zündanode, auch als Trigger bezeichnet, im Niederdruckbereich durch Kontaktieren ein Lichtbogen gezündet. Die Lichtbogenentladung erhitzt das Target lokal auf eine extrem hohe Temperatur, wodurch das Targetmaterial in die Dampfphase überführt wird. Der Lichtbogen wandert dabei zufällig auf dem Target (engl. random arc) oder wird durch Magnetfelder hinter der Kathode gezielt gesteuert (engl. steered arc). Das verdampfte Material erreicht aufgrund der hohen Verdampfungstemperatur eine hohe Geschwindigkeit und wird zum Substrat hin beschleunigt, wo es sich als Dünnschicht niederschlägt. Die verdampften Teilchen weisen sehr hohe Ionisationsgrade von über 90 % auf. Darüber hinaus erzielt die Arc-PVD-Technologie im Vergleich zur Magnetron-Kathodenzerstäubung deutlich höhere Abscheideraten. Allerdings werden beim Verdampfen des metallischen Targets auch Metall-Tröpfchen, sogenannte Droplets, emittiert, die sich ebenfalls auf dem Substrat niederschlagen und makroskopische Defekte verursachen.

In reaktiven Arc-PVD-Prozessen werden Reaktivgase wie etwa Stickstoff (N₂) oder Sauerstoff (O₂) oder auch ein Reaktivgasgemisch in die Kammer eingeleitet, um keramische Hartstoffschichten wie Nitride, Oxide und deren Mischungen abzuscheiden. Die Arc-PVD-Technologie ermöglicht ebenso die Synthese von amorphen Kohlenstoffschichten mit sehr hoher Härte, bekannt als ta-C-Dünnschichten, durch das Verdampfen von Graphittargets.