阴极电弧离子镀膜 cathodic vacuum Arc processing

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1、陰極電弧離子鍍膜CathodicVacuumArcProcessing（U.S.patent3,793,179）輔仁大學物理系凌國基老師8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）Arcdepositionandapparatus,U.S.patentNo3,625,848(1971)（2）Arcdepositionandapparatus,U.S.patentNo3,836,415(1974)（3）Apparatusforvacuumevapo

2、rationofmetalsUndertheactionofanelectricArc,U.S.patentNo3,783,231(1974)（4）Apparatusformetalevaporationcoating,U.S.patentNo.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.Cathodicvacuumarcprocessing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

3、較佳，且較不會受N2分壓影響。à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（cathodearcprocessing）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。Fromthecathodeplane。（2）因為鍍的速度太快，很難控制它的均勻度。8CathodicSpot（ArcSpot）圖一、不連續的陰極點示意圖1.見圖一，圖中

4、有陰極靶（Targetatcathodepotential）、陽極（Anode）、基板（Substrate），通過的大電流產生磁場（Magneticfield）。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Arcspot(這現象有點類似於閃電，就如閃電一樣會打到原Arcspot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

5、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（positivespacechargeregion，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Arcspot。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，Arcspot會隨機散亂地在陰極靶表面移動，稱為RandomArcmodel。※備註：1.中性粒子是由macro-particles與pla

6、sma作用，蒸發而得。高溫材料之ionizationratio最高。2.Arcspot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。8【範例一】圖二、這是1974年，俄國人在美國申請的專利之ㄧ。8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（evaporationsurface），11、12為non-evaporationsurface，整個Target為一（平坦的圓盤）

7、flatdisk。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Arcspot的機制會不斷的在附近循環，為了避免在鍍膜的過程中，Arcspot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gap22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（col

8、dingbed），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Targetsurface10溫度越低，則Arcspo