阴极电弧离子镀膜cathodicvacuumArcprocessing

1、隙趣重弧高隹子艘膜Cathodic Vacuum Arc Processing(U.S. patent 3,793,179It仁大物理系凌11基老肺除趣甯弧高隹子膜、， 、.刖百1958年，Wore提出可以用Arc的方法来做膜鹰用，一直到 70年代初，才有4 篇事利文章提出工棠用的方法。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

2、 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It用途。美I!到了 80年代中期，才有用 Arc的方法在工具上 TiN,增加硬度，延晨工 具金园的毒命。1. Cathodic vacuum arc processin的主要侵黑占：高度蹄子化。膜速度快。黏著度较佳。Ti、N比例较佳，且较不曾受 N2分屋影我伸

3、在 Ti、N畤，最好是同一他比例上去，道他在霜子植中尤其莫隹控制，隙趣H弧蹄子膜即是控制的特别 好。基板温度可以较低。2.主要的缺黑占悬：隙趣雷;弧蹄子U膜(cathode arc processing)最大的缺黑占卷是微粒的11生(macro-particles)。如匮I一，大部份的 macro-particles出琦的角度条勺卷 10-20度。From the cathode plane。因卷ig的速度太快，很莫隹控制它的均匀度。Cathodic Spot (Arc Spot)SubstrateAnodeElectronsPositive IonsMacro-particlesRetrog

4、rade Motion DirectionVPositive Space Charge RegionArc SpotTarget at Cathode Potential圃一、不速的隙趣黑占示意gI. JILHI，81中有隙趣靶(Target at cathode potential)、隔趣(Anode)、基板(Substrate), 通遇的大雷流生磁埸( Magnetic field )。. f1子因强H埸的作用，使f1子自隙趣表面微突虑樊射旋激樊靶上方之氟醴蹄子化(形成Hit),常其中的一低ISOf正蹄子撞擎隙趣靶上的某一黑占，因卷大雷流道黑占形成一彳固Arc spot(道现象有黑媵S似於

5、为就如为H一棣曾打到原Arc spot附近较高的黑占)而造黑占瞬高温熔融溅射出雷;子 (electrons)、原子典分子及微粒(macro-particles), 形成蹄子雪。.雷子、原子典分子凝射的速度不同，相同温度下所带的能量一檬，优 mv2来看H2子的K量是最小的，所以速度是最快的。因此在隙趣和隔形成一彳固强H埸n(positive space charge region, HI一中虚制听圈之虞) 。.部分蹄子通遇Hit打向基板、部分折返撞擎隙趣靶打出靶材正蹄子及霜子如BI一。由於磁埸的信鼾系，正蹄子曾往左遏移勤，形成另一他 Arc spot。不Bf地重覆第1到 第4黑占的循璟，也就形成

6、了膜的檄制。.如果没有外加磁埸作用，Arc spot曾随檄散HL地在隙趣靶表面移勤，耦卷Random Arc model o派催衽：.中性粒子是由 macro-particles典plasma作用，蒸彝而得。高温材料之 ionization ratio 最局。. Arc spot移勤速度典不同的之SOf亦有信鼾系。活性SOf移勤的比较快，而且 macro-particles 的31生也敕少。【靶例一】 圈二、道是1974年，俄阈人在美阈申日青的事利之I我凭招Bl二常成一低1骰；言十例子，上面缸色虚框起来的部份（1、2、3、4、5、6、7）,整彳固是一彳固真空系统。8卷冷谷口系统，9是隙趣靶（t

7、arget）, 10卷蒸彝表面（evaporation surface）, 11、12 卷 non-evaporation surface,整彳固 Target 想l （平坦的 BUSi）flat disk。13 基板，放置在一虚横的球面 14上，如此才能得到好的均匀度。而隙趣的底部 12 和冷郤系统8要用焊接的方式接起来，因卷它所需的重流大余勺是100A,也就是蹄子上去的速度是100A,可冕其膜速度非常的快。前面有Arc spot的檄制曾不断的在 附近循璟，卷了避免在膜的遇程中，Arc spot打在我凭的系统上，损毁骰嘴!，因此隙趣靶和系统之需要一彳固港，隔了一他港，上空的11斗笛雒子雪感鹰

8、不到可以引彝Arc的黑占也就不曾生为11的现象，也就是BI二中的gap 22所以道为H现象就只能彝生在我伤 接有大11流的靶材上。17卷铜裂的冷谷口系统（colding bed）,此系统同畤有醇雷：（通大雷:流）及醇熟（保持都 只是局部熔融）之作用；霜由18迤去，水由19迤去。作者!察到，常 Target surface10 温度越低，期J Arc spot移勤速度越快，越稳定，微粒越少。 Arc burning中有30%的熟 量曾被冷郤系统17带走，因此冷郤系统是彳固很重要的因素，因此隙趣的底部12和冷郤系统8最好要焊接在一起。BI中tt板21 （shield,此展的材K一定要是若有隔空放f

9、1的现象，谴是有可 能引彝为雷;。）的部24之高度典evaporation surface10需同高。若24较高，即蒸U畤，料曾跑到21；若蒸畤JWgap22曾被醇通。若24较低，即隙趣圄柱的表面11 （cathodecylindrical surface ）也曾被U上去，如此原本的gap22也曾被厚通。之前的是理想的例子才可以一直不的彝生为H现象，常H除在膜畤我凭需要一他可以常它有状况，不彝生为H畤可以再次促彝为制的系统。而道系统谴要一 黑占，就焉上要不然H趣曾好像焊接一棣接在一起。25卷隔趣（anode）,由feedthrough27速接到power supply。左下角虚框起来的部份 （

10、40）,是大雷:流供的部 份（power supply）。45卷正雷;，正雷;分成一脩是 46往上延伸；一脩是 38往上， 一低阻39（目的是限制重流），再往上通遇一脩35,接著藉由29接到靶上 （29典靶的接斶黑占卷一金十状物）。另一脩48往上一重磁金戟 30,穿遇49的地方，到连Kf!相接虑。常我凭雷源一打正重往上跑，瞬藉由29在靶上生一他局部的 Arc彳麦，使靶上的氟醴蹄子化，造成重子、原子典分子的射IS膜檄制HI始建作；此畤，磁金戟 30 被往上吸，符弹簧34屋扁，29也跟著弹蹄隙趣靶。常因卷某些原因，膜檄制停掉了， 磁金戟30就曾弹回原位，此畤 29又接斶到隙趣靶，在靶上生一他局部的

11、 Arc，此 膜檄制又可以HI始建醇了。道就是最隔春的隙趣H弧蹄子膜（瓢外加磁埸作用，Arcspot曾随檄散UL地在隙趣靶表面移Ift,Random Arc model）。因在Arc遇程中曾有f1流突然消失余勺10-7秒左右，此畤曾有反向H勤势的生，所以装了大f1容50来吸收道彳固反向重勤势，因此 47的匐鼠要比42的霜屋低，道可由可燮雷阻 43来得到。道桂的系统是没有辨法控制Arc spot打在什麽地方的，那要控制打在那最曾罩的方法就是外加磁埸，加上如 BI一所示的磁埸彳麦，原本是随檄UL跳的Arc spot,如果直接用肉眼!察曾建成往左方不Bf延伸的一脩虚。因Arc spot有不gf打在高

12、虑的现象，故不有瓢加上磁埸，最彳麦在隙趣靶上都曾形成一彳固平面。辰畤的蒸隙趣靶曾建成 BI三的形状（在此避:言十中是没有加磁埸的）。道 是sputter逢不到的，因sputter U久了因磁埸作用始谴是只有一彳固圄璟的地方凹下去， 而也凹不了道麽深，作者磬耦就算拢他始做膜一直用到退休也没有道麽深，就可以 知道期膜速率比sputter快了黑倍；它的ionization ratio比sputter高太多了。BI三中，15的晨度不能比隙趣靶（trget） 9的直彳至晨，否JW在蒸彝一段畤之彳麦，若15太U, arc buring曾不稳定。隙趣靶9之厚度也和arc buring蒸彝材料的醇都有Hl,

13、因卷evaporation surface必须保持T固固定的温度，因此厚度大条勺卷。隙趣靶直彳军的2050ElementNoTaZrTiCuNiAgRefArc V oltage26.524.021.520.018.017.522Ion K.E. (ev)1531779887.5546022% in ChargeState13131465384016.58023335603955486534228213473344191351515310表二-1.1呈上表二-1.1,如果我凭用的隙趣靶卷金目：1.Arc voltage表示原H呆持 Arc东10#所需的雷;HIon K.E. （ev）表示 Io

14、n Kinetic EnergySOf是 Ar in Charge Stated中的1、2、35表示T固或两固或三彳固 雷;子跑掉的百分比, 跑掉的11子数目典隙趣靶有信机 （通常suptter都只曾有一低子跑掉，由道即可知它 的 ionization ratio 有多高）2,每一彳固Arc spots的雷:流大条勺卷固定，若雷:流增加即J分卷多彳固Arc spots。.因卷一彳固Arc spots消失，另一低O始迤行很快，所以曾有high frequency fluctuationsin both voltage and current 0.我伤也可由表看出，No和Ta高熔黑占金腐，温度越高

15、越的漂亮。Macro-particles卷什麽曾有Macro-particles的1!生呢？常Arc彝生接斶的那一黑占曾被局部氧化，常 在理想状魅下那真的瞬全部建成不遇H除上不然。它一定曾有某他地方先被氟 化，常它是在最底眉的位置先被氟化畤就曾有氟泡破掉的感那谴在熔融熊的靶材四就形成所I1的 Macro-particles。要减少Macro-particles的最好方法，就是使每一彳固 Arc spot凹的深度涣一黑占，的番舌就越接近理想状魅。想凹的涣就是要Arc spot每一黑辟5的距蹄拉大，儒量不要打在上一他Arc spot黑占的遇圉旋加强冷郤系统。道棣就不曾有热量累稹的冏题，使靶材的 温

16、度都一直很低。每彳固Arc spot出现的隔畤是一棣的，相同的畤要走的距H 相封的它每次熔融的量就降低了，而出现 Macro-particles的檄曾也就跟著降低。再来因 Macro-particles大多都是往左右凝射，可以骰固tt板只留中射。都可以减少膜眉 上出琦I Macro-particles的檄率。X Target温度愈低spot移勤速度愈快， macro-particle愈少。蒸U原11+的考量 Source design consideration蒸彝原骰:言十的考量可以分卷.雷;弧的引弧 arc initiation 0.雷;弧的控制arc control o. 的控制 pla

17、sma control 0H弧的引弧 Arc initiation.檄械式接斶（mechanical touchin模仿人工H弧焊接勤作，以隼甫助H趣檄械式接斶隙趣旋移nt在隙趣重出第一 低弧，1T1弧熄滋彳麦，再次勤作引弧。此方法最主要的侵黑占是曾军，而缺黑占是，如果黑占的速度不别快，H趣可能因瞬 高熟典隙趣表面熔接在一起。解决方法是，可以用加另一彳固串骄的雷阻来限制黑占火遇程中的f1流值。其另外的缺黑占卷重性不为J高（太多檄械式建勤）。.高重性引弧技彳行探用一金腐薄膜速接隙趣表面和隼甫助隔趣，透遇重容放重而突然蒸？蹄子化 来引弧。若激彝靶黑何骰:计逋宜，即本技彳行可靠度趣高而且曾罩。1rt

18、i弧做勤的瞬 IW,靶的表面必须碓保新鲜（fresh）瓢污染。.使用11容放11至一持流通的管件雷:容放雷:提供数千伏特之雷；!，放入月辰彳U氟H （ a pulse of gas）,氟H雷J形成 MB, HiT1流流向隙趣，以引彝雷:弧。此方法不需接斶隙趣，曾罩且可靠，但因通入少量的金屯I弱Of,所以不能作遇於S（繁的重引弧.雷射月辰彳蓟引弧（laser pulse以雷射月辰彳蔚投射在隙趣表面局部激？ft1生Hit, Hit是用来引彝起始的Arc spoto五、H弧的控制Arc controlH弧必须很殿格被控制，因卷若是失去控制，曾迅速损毁H弧膜逐嘴I。磁埸是控制雷:弧的一彳固方法。所I1

19、逆向移勤(Retrograde motion)彝生在平行於隙趣表面之感鹰磁埸的移勤方向，M BI 一所示，逆向移勤因感鹰磁埸而增加，快速的H弧移勤曾减 少微粒的生成，此在高熔黑占金腐的反鹰性H弧中可以SO1。7中回家口蕊勒VaclfihhCl fjmbflfI ! Soron Ni?tiJeI .H四、不同的看弧控制型式。A typical passive cathodic arc configuration. (Theshaded pattern codes are used consistently throughout the figures in this chapter for components having similar function ).Bl四中，明Wfflt不同的 arc contr