阴极电弧离子镀膜 cathodic vacuum Arc processingWord格式.docx
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（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（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。
2、
CathodicSpot（ArcSpot）
圖一、不連續的陰極點示意圖
1.見圖一，圖中有陰極靶（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plasma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。
【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（evaporationsurface），11、12為non-evaporationsurface，整個Target為一（平坦的圓盤）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（coldingbed），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Arcspot移動速度越快，越穩定，微粒越少。
Arcburning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evaporationsurface10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（cathodecylindricalsurface）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powersupply。
左下角虛線框起來的部份（40），是大電流供應的部份（powersupply）。
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，Arcspot會隨機散亂地在陰極靶表面移動，稱為RandomArcmodel）。
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Arcspot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Arcspot，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Arcspot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ionizationratio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，arcburing會不穩定。
陰極靶9之厚度也和arcburing蒸發材料的導熱有關，因為evaporationsurface必須保持一個固定的溫度，因此厚度大約為。
陰極靶直徑的20~50％。
Element
No
Ta
Zr
Ti
Cu
Ni
Ag
Ref
ArcVoltage
26.5
24.0
21.5
20.0
18.0
17.5
22
IonK.E.（ev）
153
177
98
87.5
54
60
％inChargeState
1
3
13
14
65
38
40
16.5
80
2
33
35
39
55
48
42
28
21
34
7
4
19
5
15
10
表二-1.1
呈上表二-1.1，如果我們用的陰極靶為「鉬」：
1.「Arcvoltage」表示為保持Arc繼續所需的電壓「IonK.E.（ev）」表示IonKineticEnergy氣體是Ar「％inChargeState」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ionizationratio有多高）
2.每一個Arcspots的電流大約為固定，若電流增加則分為多個Arcspots。
3.因為一個Arcspots消失，另一個開始進行很快，所以會有highfrequencyfluctuationsinbothvoltageandcurrent。
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Arcspot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Arcspot每一點間的距離拉大，儘量不要打在上一個Arcspot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Arcspot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。
3、蒸發原設計的考量Sourcedesignconsideration
蒸發原設計的考量可以分為
1.電弧的引弧arcinitiation。
2.電弧的控制arccontrol。
3.電漿的控制plasmacontrol。
4、電弧的引弧Arcinitiation
1.機械式接觸（mechanicaltouching）
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（apulseofgas），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（laserpulse）
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Arcspot。
5、
電弧的控制Arccontrol
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（Retrogrademotion）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。
Atypicalpassivecathodicarcconfiguration.（Theshadedpatterncodesareusedconsistentlythroughoutthefiguresinthischapterforcomponentshavingsimilarfunction）.
圖四中，說明兩種不同的arccontrol型式。
一種是左邊在接近target處有一陽極屏（screen），用以防止電子從陰極流向真空腔壁（chamber），電弧會澆息在水冷卻的陰極靶邊緣。
一種是右邊是使用低電子發射係數（lowelectronemissive）的氮化硼（BN）限制裝置，此時arcspot跑到BN處會反轉。
另外有個Anode（此Anode可以防止電子），chamber也可以是Anode。
若額外的Arc存在於靶的表面，或有充分的電源供應產生Arc所需的電位，則Arc會再產生，鍍膜機制將持續進行，否則當Arc消失後需要再引弧。
但是在使用氮化硼限制Arc的裝置後，Arc抵達靶緣的限制界面時會被拋回靶上，因此不需要再引弧。
使用screen限制Arc之優點為簡單和靶容易安裝，但是也有一缺點，就是常常要再引弧（re-ignition）。
陰極電弧離子鍍膜的應用
下圖五是一個用來抽氣的運用，在圖中的21過去是接chamber，而20的地方是接擴散幫浦，而這兩者之間裝設了一個陰極電弧離子鍍鈦的系統，在之前超高真空的地方有說過鈦蒸氣是很活性的氣體，可以用來吸附油氣、水氣、氫…等。
這就是利用這個性質，當從1×
10-1torr抽到5×
10-2時就可以把CathodicArc抽氣系統點火開下去打出鈦蒸氣，就可以快速的達到更好的真空度。
不過有個缺點是會對基板造成鈦的汙染，所以這個系統只能用於鍍鈦或者是鍍被鈦汙染也不會有影響的膜層。
圖五、以陰極電弧離子鍍膜輔助抽氣的真空系統
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