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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
N
2
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 process
ing
）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
10-2
0
度。
From the cathode
plane
。
（
2
）
因為鍍的速度太快，很難控制它的均勻度。
1
二、
Cathodic Spot
（
Arc
Spot
）
B
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-parti
cles
）
，
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
1
2
mv
來看電
2
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 sp
ot
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。
2
【範例一】
圖二、這是
1974
年，俄國人在美國申請的專利之ㄧ。
3 <
/p>
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<
/p>
，
9
是陰極靶
（
target
）
，
10
為蒸發表面
（
evapora
tion
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 2
2
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
Targ
et surface10
溫度越低，則
Arc
spot
移動速度越快，越穩定，微粒越少。
Arc burn
ing
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
（
s
hield
，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
< br>evaporation surface10
需同高。若
24
較高，則蒸鍍
時，鍍料會跑到
2
1
；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
< br>）
，由
feedthrough27
連接到
power suppl
y
。左下角虛線框起來的部份
（
40
）<
/p>
，是大電流供應的部
份（
power s
uppl
y
）
。
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
< br>陰極電弧離子鍍膜
(
無外加磁場作用，
< br>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。
4