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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