阴极电弧离子镀膜cathodicvacuumArcprocessing详解.doc

PAGE  PAGE 8 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 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。 Arc deposition and apparatus, U.S. patent No 3, 625, 848(1971) Arc deposition and apparatus, U.S. patent No 3, 836, 415(1974) Apparatus for vacuum evaporation of metals Under the action of an electric Arc, U.S. patent No 3, 783, 231(1974) 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。 Cathodic vacuum arc processing的主要優點： 高度離子化。 鍍膜速度快。 黏著度較佳。 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。 基板溫度可以較低。 主要的缺點為： 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。 因為鍍的速度太快，很難控制它的均勻度。 Cathodic Spot（Arc Spot） 圖一、不連續的陰極點示意圖 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）。 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。 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）。 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。 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： 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。 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ㄧ。 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