電弧(Arc)名稱的由來

• 1800年，電池的發明人－義大利物理學家伏特 (Alessandro Volta)，將不同材質的金屬盤交互堆疊浸潤在弱酸性的電解質中 (Volta稱此為伏特堆)，在此伏特堆 (Voltaic pile) 中會產生連續的電流現象。
• 1810年，英國化學家 Sir Humphry Davy 利用伏打電池在兩個水平對齊的石墨電極之間產生白亮的放電，由於白亮部分呈現向上彎曲的拱形形態，因而稱之為電弧 (Arc)。
• 1877年，Arthur W. Wright 觀察到真空電弧沉積的現象。
• 1892年，愛迪生 (Thomas Alva Edison) 使用真空電弧法 (Vacuum Arc) 沉積一層金屬塗層，並第一個申請了真空電弧沉積法的專利 (U.S. Patent #484,582)。
• 1894年，愛迪生申請了陰極電弧系統的專利 (U.S. Patent #526,147)

什麼是陰極電弧沉積(Cathodic Arc Deposition, CAD) ?

• 陰極電弧沉積法

1. 電弧放電是一種氣體自持放電(Self-sustaining Discharge)現象，具有低電壓、高電流的放電特性。此法利用陰極輝點(Cathode Spot)加熱陰極蒸發源，陰極輝點在陰極(鍍材)表面快速移動，將材料爆炸式蒸發出來的一種蒸鍍過程，因此電漿中存在著陰極蒸發源之氣體分子或離子。
2. 陰極電弧沉積(CAD)，也稱為真空電弧沉積(Vacuum Arc Deposition，VAD)、陰極真空電弧(Cathodic Vacuum Arc，CVA)沉積、陰極電弧蒸鍍法(Cathodic Arc Ion Plating，CAIP)，或電弧離子批覆(Arc Ion Plating，AIP)。
3. 廣泛使用於工業界的一種PVD技術，主要用於鍍製切削刀具(Cutting Tool)的保護性塗層、成型工具(Forming Tool)的耐磨層、裝飾鍍膜(Decorative Coating)等。例如，可以沉積氮化鈦(TiN)、碳化鈦(TiC)、氮化鉻(CrN)、氮化鋁鈦(TiAlN)、類鑽石膜(Diamond-like Carbon，DLC)等材料。

• 什麼是陰極輝點?

在陰極電弧將材料從靶材蒸發出來的過程，電流會集中在一些很小且分散的位置，可以從靶材表面看到快速移動的亮點，此稱之為陰極輝點。陰極輝點的作用，類似於閃爍蒸發(Flash Evaporation)的過程，在局部高電流密度下快速加熱一小體積的目標表面，將材料爆炸式發射出來(Explosive Emission Process)。陰極輝點的特點如下：

1. 放電輝點出現的時間約10奈秒(ns)至1微秒(μs)，在陰極表面的移動速率約100 m/sec；
2. 陰極輝點的電流範圍依不同陰極靶材而有所差異，可從30 ~ 400 A，電流密度可達10 6 ~10 12 A/cm2；
3. 電弧電壓範圍為10 ~ 40 V，依不同陰極靶材而有所差異；
4. 陰極輝點會在陰極表面上做無規則的運動，會將靶材表面沖蝕(Erosion)出一些1~10微米(μm)的坑洞(Micro-crater)。

因此，陰極輝點是一高電流密度的電漿附著點，真空電弧電漿的許多工藝參數是由陰極輝點的電漿物理所決定。

• 什麼是微粒(Macro-particles或Macro-droplet)?

陰極輝點附近的材料，溫度非常高，因而在陰極與電漿之間會產生一熔融(Molten)層，微粒就是從這個熔融層發射出來的，使得微粒通常也是熔融狀態，微粒尺寸約1~100微米(μm)。微粒產生後，會在薄膜沉積過程中附著上去而使得表面變得比較粗糙，破壞了膜的均勻性，甚至造成薄膜容易剝落。由於石墨的熔點比較高，石墨陰極比較容易觀察到微粒噴濺的輻射光；其它低熔點的金屬陰極，則不容易觀察到輻射光。

製程工藝的控制

• 電弧的引燃(Arc Ignition)

真空中要在陰極與陽極之間的間距引燃電弧(引弧)，需要非常高的電壓(~100 kV/cm)；但實際操作上，可以藉由機械式的觸發器(Trigger)、雷射脈衝(Laser Pulse)引弧等方式做電弧的引燃。

• 熱的移除

CAD只使用1/3的功率在產生電弧，剩下的2/3功率會轉變成熱，因此，陰極背面要用水做強制冷卻，以防止陰極產生損傷(例如防止陰極支撐座產生變形)與減少微粒的產生。

• 微粒的控制

微粒是CAD的主要問題，一般常用兩種策略解決微粒的問題，一為抑制微粒產生，另一為防止微粒到達基板。抑制微粒產生，可以在弧光放電過程中，增加電弧在靶材表面的移動速率、提高粒子的能量、充分冷卻靶材等方式達成。例如：微粒的大小會與靶材的熔點有關，陰極材料的熔點越低並且在較高的靶材溫度下，微粒尺寸會越大顆。

防止微粒到達基板，可以使用遮蔽板(Shield Plate)、磁場過濾器(Magnetically Filter)等方式達成。例如：Aksenov等人率先開發了磁過濾陰極真空電弧(Filter Cathodic Vacuum Arc，FCVA)技術，利用磁過濾偏轉離子的運動軌跡，篩選掉未離化的氣體分子及較大的微粒，有效提高了膜層的質量。

基板偏壓(Substrate Bias)

鍍膜過程中在工件上施加一負偏壓(Negative Bias)，基板偏壓範圍約0~1000 V，使工件表面不斷地受到離子轟擊，可以有效地提升膜層的附著力與緻密性。此方式需要加裝另一台電源供應器以提供所需的偏壓，偏壓電源型式可採用直流偏壓、rf偏壓、脈衝式偏壓等方式。

陰極電弧沉積技術之特色

• 主要是利用陰極輝點產生欲蒸鍍材料的電漿。
• 具有高度的游離率(30~100 %)。
• 電漿中的離子存在多重的放電電荷狀態(Multiple Charge States)。例如：鈦(Ti)陰極經過電弧放電後，會產生Ti+、Ti2+、Ti3+等多重的電荷狀態。
• 離子具有高動能，範圍約10 ~ 300 eV。
• 在沒有通入反應氣體之製程，例如使用合金(Alloy)靶材鍍製合金膜，膜層的元素組成比例大約與靶材的元素組成比相同。

陰極電弧沉積技術的優點

• 與濺鍍法(Sputtering)比較，CAD有一個重要的優點就是會在陰極會產生豐富的離子，鍍膜離子具有足夠的動能可以在複雜工件表面沉積致密且附著力不錯的薄膜。
• 產生陰極電弧所需的電源供應器，可以使用傳統焊接(Welding)的直流電源供應器，因此CAD比起濺鍍法，具有相對低的設備成本優勢和方便性。
• 鍍膜速率快。
• 製程溫度低。
• 容易沉積化合物薄膜。
• 在金屬膜沉積的情況，可以不用通入工作氣體(Working Gas)。

陰極電弧沉積技術的缺點

微粒是CAD的主要缺點，造成薄膜表面比較粗糙，降低膜層的均勻性。

陰極電弧沉積技術的未來發展

近年來，高功率磁控脈衝濺射技術(High Power Impulse Magnetron Sputtering，HiPIMS；又稱High Power Pulsed Magnetron Sputtering，HPPMS)由於具有離子批覆法與CAD的優點，鍍膜速率相當快且沒有微粒汙染問題，是一相當熱門的研究主題，HIPIMS技術甚至逐漸取代FCVA技術。但有一些應用領域，對於微粒的影響比較不太重要，且CAD具有相對低的設備成本優勢，CAD技術仍廣泛使用於工業界。

備註  引述大永真空-研發部