阴极电弧离子镀膜 cathodic vacuum Arc processing.doc

陰極電弧離子鍍膜Cathodic Vacuum Arc Processing（ U.S. patent 3,793,179）輔仁大學 物理系凌國基老師陰極電弧離子鍍膜一、 前言1958年，Wore提出可以用Arc的方法來做鍍膜應用，一直到70年代初，才有4篇專利文章提出工業用的方法。（1） Arc deposition and apparatus, U.S. patent No 3, 625, 848(1971)（2） Arc deposition and apparatus, U.S. patent No 3, 836, 415(1974)（3） Apparatus for vacuum evaporation of metals Under the action of an electric Arc, U.S. patent No 3, 783, 231(1974)（4） Apparatus for metal evaporation coating, U.S. patent No.3, 793, 179(1974) 到了70年代末期，USSR才有工業用途。 美國到了80年代中期，才有用Arc的方法在工具鋼上鍍TiN，增加硬度，延長工具鋼的壽命。1. Cathodic vacuum arc processing的主要優點：（1） 高度離子化。（2） 鍍膜速度快。（3） 黏著度較佳。（4） Ti、N比例較佳，且較不會受N2分壓影響。我們在鍍Ti、N時，最好是同一個比例上去，這個在電子槍中尤其難控制，陰極電弧離子鍍膜則是控制的特別好。（5） 基板溫度可以較低。2. 主要的缺點為：（1） 陰極電弧離子鍍膜（cathode arc processing）最大的缺點為是微粒的產生（macro-particles）。如圖一，大部份的macro-particles出現的角度約為10-20度。From the cathode plane。（2） 因為鍍的速度太快，很難控制它的均勻度。二、 Cathodic Spot（Arc Spot）圖一、不連續的陰極點示意圖1. 見圖一，圖中有陰極靶（Target at cathode potential）、陽極（Anode）、基板（Substrate），通過的大電流產生磁場（Magnetic field）。2. 電子因強電場的作用，使電子自陰極表面微突處發射並激發靶上方之氣體離子化(形成電漿)，當其中的一個氣體正離子撞擊陰極靶上的某一點，因為大電流這點形成一個Arc spot(這現象有點類似於閃電，就如閃電一樣會打到原Arc spot附近較高的點)而這點瞬間高溫熔融濺射出電子（electrons）、原子與分子及微粒（macro-particles），形成離子雲。3. 電子、原子與分子濺射的速度不同，相同溫度下所帶的能量一樣，從來看電子的質量是最小的，所以速度是最快的。因此在陰極和陽極間會形成一個強電場區（positive space charge region，圖一中虛線所圈之處）。4. 部分離子通過電漿打向基板、部分折返撞擊陰極靶打出靶材正離子及電子如圖一。由於磁場的關係，正離子會往左邊移動，形成另一個Arc spot。不斷地重覆第1到第4點的循環，也就形成了鍍膜的機制。5. 如果沒有外加磁場作用，Arc spot會隨機散亂地在陰極靶表面移動，稱為Random Arc model。 備註：1. 中性粒子是由macro-particles與plasma作用，蒸發而得。高溫材料之ionization ratio最高。2. Arc spot移動速度與不同的之氣體亦有關係。活性氣體移動的比較快，而且macro-particles的產生也較少。【範例一】圖二、這是1974年，俄國人在美國申請的專利之。 我們將圖二當成一個設計例子，上面紅色虛線框起來的部份（1、2、3、4、5、6、7），整個是一個真空系統。8為冷卻系統，9是陰極靶（target），10為蒸發表面（evaporation surface），11、12為non-evaporation surface，整個Target為一（平坦的圓盤）flat disk。13為基板，放置在一虛構的球面14上，如此才能得到好的均勻度。而陰極的底部12和冷卻系統8要用焊接的方式接起來，因為它所需的電流大約是100A，也就是離子上去的速度是100A，可見其鍍膜速度非常的快。前面有說過Arc spot的機制會不斷的在附近循環，為了避免在鍍膜的過程中，Arc spot打在我們的系統上，損毀設備，因此陰極靶和系統之間需要一個溝，隔了一個溝，上空的電漿離子雲感應不到可以引發Arc的點也就不會產生閃電的現象，也就是圖二中的gap 22所以這閃電現象就只能發生在我們接有大電流的靶材上。17為銅製的冷卻系統（colding bed），此系統同時有導電(通大電流)及導熱(保持都只是局部熔融)之作用；電由18進去，水由19進去。作者觀察到，當Target surface10溫度越低，則Arc spot移動速度越快，越穩定，微粒越少。Arc burning中有30的熱量會被冷卻系統17帶走，因此冷卻系統是個很重要的因素，因此陰極的底部12和冷卻系統8最好要焊接在一起。 圖中擋板21（shield，此區的材質一定要是絕緣體若有隔空放電的現象，還是有可能引發閃電。）的頂部24之高度與evaporation surface10需同高。若24較高，則蒸鍍時，鍍料會跑到21；若蒸鍍時間較長，則gap22會被導通。若24較低，則陰極圓柱的表面11（cathode cylindrical surface）也會被鍍上去，如此原本的gap22也會被導通。之前說的是理想的例子才可以一直不間斷的發生閃電現象，當實際在鍍膜時我們需要一個可以當它有狀況，不發生閃電時可以再次促發閃電機制的系統。而這系統還要一點，就馬上離開，要不然電極會好像焊接一樣接在一起。25為陽極（anode），由feedthrough27連接到power supply。左下角虛線框起來的部份（40），是大電流供應的部份（power supply）。45為正電，正電分成兩條，一條是46往上延伸；一條是38往上，經過一個電阻39（目的是限制電流），再往上通過一條電線35，接著藉由29接到靶上(29與靶的接觸點為一針狀物)。另一條48為負電，往上經過一電磁鐵30，穿過49的地方，到達負電相接處。 當我們電源一打開，正電往上跑，瞬間藉由29在靶上產生一個局部的Arc後，使靶上的氣體離子化，造成電子、原子與分子的濺射鍍膜機制開始運作；此時，磁鐵30被往上吸，將彈簧34壓扁，29也跟著彈離陰極靶。當因為某些原因，鍍膜機制停掉了，磁鐵30就會彈回原位，此時29又接觸到陰極靶，在靶上產生一個局部的Arc，此鍍膜機制又可以開始運轉了。這就是最陽春的陰極電弧離子鍍膜(無外加磁場作用，Arc spot會隨機散亂地在陰極靶表面移動，稱為Random Arc model)。因在Arc 過程中會有電流突然消失約10-7秒左右，此時會有反向電動勢的產生，所以裝了大電容50來吸收這個反向電動勢，因此負極47的電壓要比42的電壓低，這可由可變電阻43來得到。 這裡說的系統是沒有辨法控制Arc spot打在什麼地方的，那要控制打在那最簡單的方法就是外加磁場，加上如圖一所示的磁場後，原本是隨機亂跳的Arc spot，如果直接用肉眼觀察會變成往左方不斷延伸的一條虛線。因Arc spot有不斷打在高處的現象，故不論有無加上磁場，最後在陰極靶上都會形成一個平面。 經過長時間的蒸鍍，陰極靶會變成圖三的形狀（在此設計中是沒有加磁場的）。這是sputter達不到的，因sputter鍍久了因磁場作用始終還是只有一個圓環的地方凹下去，而也凹不了這麼深，作者聲稱就算從他開始做鍍膜一直用到退休也沒有這麼深，就可以知道鍍膜速率比sputter快了幾倍；它的ionization ratio比sputter高太多了。 圖三圖三中，15的長度不能比陰極靶（trget）9的直徑長，否則在蒸發一段時間之後，若15太圓，arc buring會不穩定。陰極靶9 之厚度也和arc buring蒸發材料的導熱有關，因為evaporation surface必須保持一個固定的溫度，因此厚度大約為。陰極靶直徑的2050。ElementNoTaZrTiCuNiAgRefArc Voltage26.524.021.520.018.017.522Ion K.E.（ev）1531779887.5546022 in Charge State13131465384016.58023335603955486534228213473344191351515310表二-1.1呈上表二-1.1，如果我們用的陰極靶為鉬：1. Arc voltage表示為保持Arc繼續所需的電壓 Ion K.E.（ev）表示Ion Kinetic Energy 氣體是Ar in Charge State中的1、2、3.5表示一個或兩個或三個.電子跑掉的百分比，跑掉的電子數目與陰極靶有關。(通常suptter都只會有一個電子跑掉，由這即可知它的ionization ratio有多高)2. 每一個Arc spots的電流大約為固定，若電流增加則分為多個Arc spots。3. 因為一個Arc spots消失，另一個開始進行很快，所以會有high frequency fluctuations in both voltage and current。4. 我們也可由表看出，No和Ta為高熔點金屬，溫度越高越鍍的漂亮。Macro-particles 為什麼會有Macro-particles的產生呢？當Arc發生接觸的那一點會被局部氣化，當在理想狀態下那真的瞬間全部變成氣體，不過實際上不然。它一定會有某個地方先被氣化，當它是在最底層的位置先被氣化時就會有氣泡破掉的感覺，那還在熔融態的靶材四濺就形成所謂的Macro-particles。 要減少 Macro-particles的最好方法，就是使每一個Arc spot凹的深度淺一點，較淺的話就越接近理想狀態。想凹的淺就是要讓Arc spot每一點間的距離拉大，儘量不要打在上一個Arc spot點的週圍並加強冷卻系統。這樣就不會有熱量累積的問題，使靶材的溫度都一直很低。每個Arc spot出現的間隔時間是一樣的，相同的時間要走較長的距離，相對的它每次熔融的量就降低了，而出現Macro-particles的機會也就跟著降低。再來因Macro-particles大多都是往左右濺射，可以設計個擋板只留中間濺射。都可以減少膜層上出現Macro-particles的機率。Target溫度愈低spot移動速度愈快，macro-particle愈少。三、 蒸發原設計的考量Source design consideration 蒸發原設計的考量可以分為1. 電弧的引弧arc initiation。2. 電弧的控制arc control。3. 電漿的控制plasma control。四、 電弧的引弧Arc initiation1. 機械式接觸（mechanical touching） 模仿人工電弧焊接動作，以輔助電極機械式接觸陰極並移開，在陰極畫出第一個電弧，當電弧熄滅後，再次動作引弧。 此方法最主要的優點是簡單，而缺點是，如果點的速度不夠快，電極可能因瞬間高熱與陰極表面熔接在一起。解決方法是，可以用加另一個串聯的電阻來限制點火過程中的電流值。其另外的缺點為重複性不夠高(太多機械式運動)。2. 高重複性引弧技術 採用一金屬薄膜連接陰極表面和輔助陽極，透過電容放電而突然蒸發並離子化來引弧。若激發靶幾何設計適宜，則本技術可靠度極高而且簡單。當電弧啟動的瞬間，靶的表面必須確保新鮮（fresh）無污染。3. 使用電容放電至一持續流通氣體的管件 電容放電提供數千伏特之電壓，放入脈衝氣體（a pulse of gas），氣體電離形成電漿，電漿電流流向陰極，以引發電弧。 此方法不需接觸陰極，簡單且可靠，但因通入少量的鈍態氣體，所以不能作過於頻繁的重複引弧4. 雷射脈衝引弧（laser pulse）以雷射脈衝投射在陰極表面局部激發產生電漿，電漿是用來引發起始的Arc spot。五、 電弧的控制Arc control 電弧必須很嚴格被控制，因為若是失去控制，會迅速損毀電弧鍍膜設備。磁場是控制電弧的一個方法。所謂逆向移動（Retrograde motion）發生在平行於陰極表面之感應磁場的移動方向，見圖一所示，逆向移動因感應磁場而增加，快速的電弧移動會減少微粒的生成，此在高熔點金屬的反應性電弧中可以預見。圖四、不同的鈍態陰極電弧控制型式。A typical passive cathodic arc configuration.（The shaded pattern codes are used consistently throughout the figures in this chapter for components having similar function）. 圖四中，說明兩種不同的arc control型式。 一種是左邊在接近