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阴极电弧沉积技术之简介

电弧(Arc)名称的由来

  • 1800年，电池的发明人－义大利物理学家伏特 (Alessandro Volta)，将不同材质的金属盘交互堆叠浸润在弱酸性的电解质中 (Volta称此为伏特堆)，在此伏特堆 (Voltaic pile) 中会产生连续的电流现象。
  • 1810年，英国化学家 Sir Humphry Davy 利用伏打电池在两个水平对齐的石墨电极之间产生白亮的放电，由于白亮部分呈现向上弯曲的拱形形态，因而称之为电弧 (Arc)。
  • 1877年，Arthur W. Wright 观察到真空电弧沉积的现象。
  • 1892年，爱迪生 (Thomas Alva Edison) 使用真空电弧法 (Vacuum Arc) 沉积一层金属涂层，并第一个申请了真空电弧沉积法的专利 (U.S. Patent #484,582)。
  • 1894年，爱迪生申请了阴极电弧系统的专利 (U.S. Patent #526,147)

什么是阴极电弧沉积(Cathodic Arc Deposition, CAD) ?

  • 阴极电弧沉积法
    1. 电弧放电是一种气体自持放电(Self-sustaining Discharge)现象，具有低电压、高电流的放电特性。此法利用阴极辉点(Cathode Spot)加热阴极蒸发源，阴极辉点在阴极(镀材)表面快速移动，将材料爆炸式蒸发出来的一种蒸镀过程，因此电浆中存在着阴极蒸发源之气体分子或离子。
    2. 阴极电弧沉积(CAD)，也称为真空电弧沉积(Vacuum Arc Deposition，VAD)、阴极真空电弧(Cathodic Vacuum Arc，CVA)沉积、阴极电弧蒸镀法(Cathodic Arc Ion Plating，CAIP)，或电弧离子批覆(Arc Ion Plating，AIP)。
    3. 广泛使用于工业界的一种PVD技术，主要用于镀制切削刀具(Cutting Tool)的保护性涂层、成型工具(Forming Tool)的耐磨层、装饰镀膜(Decorative Coating)等。例如，可以沉积氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)、氮化铬(CrN)、氮化铝钛(TiAlN)、类钻石膜(Diamond-like Carbon，DLC)等材料。
  • 什么是阴极辉点?

在阴极电弧将材料从靶材蒸发出来的过程，电流会集中在一些很小且分散的位置，可以从靶材表面看到快速移动的亮点，此称之为阴极辉点。阴极辉点的作用，类似于闪烁蒸发(Flash Evaporation)的过程，在局部高电流密度下快速加热一小体积的目标表面，将材料爆炸式发射出来(Explosive Emission Process)。阴极辉点的特点如下：

    1. 放电辉点出现的时间约10奈秒(ns)至1微秒(μs)，在阴极表面的移动速率约100 m/sec；
    2. 阴极辉点的电流范围依不同阴极靶材而有所差异，可从30 ~ 400 A，电流密度可达10 6 ~10 12 A/cm2；
    3. 电弧电压范围为10 ~ 40 V，依不同阴极靶材而有所差异；
    4. 阴极辉点会在阴极表面上做无规则的运动，会将靶材表面冲蚀(Erosion)出一些1~10微米(μm)的坑洞(Micro-crater)。

因此，阴极辉点是一高电流密度的电浆附着点，真空电弧电浆的许多工艺参数是由阴极辉点的电浆物理所决定。


  • 什么是微粒(Macro-particles或Macro-droplet)?

阴极辉点附近的材料，温度非常高，因而在阴极与电浆之间会产生一熔融(Molten)层，微粒就是从这个熔融层发射出来的，使得微粒通常也是熔融状态，微粒尺寸约1~100微米(μm)。微粒产生后，会在薄膜沉积过程中附着上去而使得表面变得比较粗糙，破坏了膜的均匀性，甚至造成薄膜容易剥落。由于石墨的熔点比较高，石墨阴极比较容易观察到微粒喷溅的辐射光；其它低熔点的金属阴极，则不容易观察到辐射光。


制程工艺的控制

  • 电弧的引燃(Arc Ignition)

真空中要在阴极与阳极之间的间距引燃电弧(引弧)，需要非常高的电压(~100 kV/cm)；但实际操作上，可以藉由机械式的触发器(Trigger)、雷射脉冲(Laser Pulse)引弧等方式做电弧的引燃。

  • 热的移除

CAD只使用1/3的功率在产生电弧，剩下的2/3功率会转变成热，因此，阴极背面要用水做强制冷却，以防止阴极产生损伤(例如防止阴极支撑座产生变形)与减少微粒的产生。

  • 微粒的控制

微粒是CAD的主要问题，一般常用两种策略解决微粒的问题，一为抑制微粒产生，另一为防止微粒到达基板。抑制微粒产生，可以在弧光放电过程中，增加电弧在靶材表面的移动速率、提高粒子的能量、充分冷却靶材等方式达成。例如：微粒的大小会与靶材的熔点有关，阴极材料的熔点越低并且在较高的靶材温度下，微粒尺寸会越大颗。

防止微粒到达基板，可以使用遮蔽板(Shield Plate)、磁场过滤器(Magnetically Filter)等方式达成。例如：Aksenov等人率先开发了磁过滤阴极真空电弧(Filter Cathodic Vacuum Arc，FCVA)技术，利用磁过滤偏转离子的运动轨迹，筛选掉未离化的气体分子及较大的微粒，有效提高了膜层的质量。


基板偏压(Substrate Bias)

镀膜过程中在工件上施加一负偏压(Negative Bias)，基板偏压范围约0~1000 V，使工件表面不断地受到离子轰击，可以有效地提升膜层的附着力与致密性。此方式需要加装另一台电源供应器以提供所需的偏压，偏压电源型式可采用直流偏压、rf偏压、脉冲式偏压等方式。


阴极电弧沉积技术之特色

  • 主要是利用阴极辉点产生欲蒸镀材料的电浆。
  • 具有高度的游离率(30~100 %)。
  • 电浆中的离子存在多重的放电电荷状态(Multiple Charge States)。例如：钛(Ti)阴极经过电弧放电后，会产生Ti+、Ti2+、Ti3+等多重的电荷状态。
  • 离子具有高动能，范围约10 ~ 300 eV。
  • 在没有通入反应气体之制程，例如使用合金(Alloy)靶材镀制合金膜，膜层的元素组成比例大约与靶材的元素组成比相同。

阴极电弧沉积技术的优点

  • 与溅镀法(Sputtering)比较，CAD有一个重要的优点就是会在阴极会产生丰富的离子，镀膜离子具有足够的动能可以在复杂工件表面沉积致密且附着力不错的薄膜。
  • 产生阴极电弧所需的电源供应器，可以使用传统焊接(Welding)的直流电源供应器，因此CAD比起溅镀法，具有相对低的设备成本优势和方便性。
  • 镀膜速率快。
  • 制程温度低。
  • 容易沉积化合物薄膜。
  • 在金属膜沉积的情况，可以不用通入工作气体(Working Gas)。

阴极电弧沉积技术的缺点

微粒是CAD的主要缺点，造成薄膜表面比较粗糙，降低膜层的均匀性。


阴极电弧沉积技术的未来发展

近年来，高功率磁控脉冲溅射技术(High Power Impulse Magnetron Sputtering，HiPIMS；又称High Power Pulsed Magnetron Sputtering，HPPMS)由于具有离子批覆法与CAD的优点，镀膜速率相当快且没有微粒污染问题，是一相当热门的研究主题，HIPIMS技术甚至逐渐取代FCVA技术。但有一些应用领域，对于微粒的影响比较不太重要，且CAD具有相对低的设备成本优势，CAD技术仍广泛使用于工业界。


备注  引述大永真空-研发部


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