官鈺庭、林靖乾 / 工研院材化所
近年來，由於刀工具、精密模具、高階光學鍍膜及半導體封裝等領域之關鍵零組件，皆朝「高性能、長壽命、低碳排」等需求邁進，陰極電弧離子鍍膜技術因其鍍率高、製程溫度低及附著力優異等特性，已成為硬質薄膜市場之主流製程。然而在量產實務經驗中，此項技術極易產生大量鍍膜顆粒，是該技術阻礙硬質薄膜性能與量產性發展的核心瓶頸。這些缺陷不僅導致表面粗糙度上升、形成針隙及孔洞，更易在腐蝕環境下觸發點蝕及沿隙腐蝕，削弱硬質薄膜應有的耐磨耗及耐腐蝕性能。而現行之降低弧源電流或採用高熔點靶材等方法，雖可抑制部分顆粒生成，但同時也會降低鍍率進而增加製程碳排；加裝磁濾系統或擋板遮蔽等，則易伴隨效率減損與維護複雜化等問題。隨著產業界高附加價值零組件對極光滑表面、低缺陷及高性能的需求日益提升，業界亟需在維持鍍膜產能的同時，能顯著降低鍍膜顆粒數量，進而提升機械性質與結構可靠度的高階鍍膜技術。
【內文精選】
國內Arc PVD相關難點及現有解決方案
在陰極電弧離子鍍膜中，鍍膜顆粒(Macroparticles; MPs)被公認為最具破壞性之缺陷。顆粒源自電弧在陰極表面放電時形成的局部熔池，受高密度電漿擠壓爆炸射出，如圖一所示，其常態粒徑約0.1 μm~10 μm，密度與尺寸均遠大於電弧形成之高度解離電漿，並會隨之一併抵達基材，在嵌入膜層後形成突起、孔隙與成分不均區域。此類缺陷不僅拉高膜層表面粗糙度，亦為常態腐蝕環境提供滲透通道，進而誘發點蝕、沿隙腐蝕；同時顆粒的剝離，也會降低刀工具或沖壓模具等高磨耗部件在高週期應力負載下的使用壽命。
圖一 、(a)陰極弧點放電造成的侵蝕凹坑SEM影像；(b)陰極表面放電後受電漿壓力擠壓形成金屬顆粒示意
高能量脈衝弧源介紹
2. 弧點動力學
部分研究發現，在脈衝工作期間，峰值電流可達數千安培等級，遠超過單一弧點可承載的臨界電流閾值，陰極表面瞬間形成多個分裂弧點同時放電，而單一弧點之間又因自體磁場互斥，如圖四所示，使其以>50 m/s的速度呈放射狀高速運動，平均停留時間可壓縮至僅數微秒尺度。由於熔池還來不及膨脹即因脈衝結束進入基礎電流維持階段而凝固，形成「爆發→冷卻→再爆發」的週期性循環，相比於直流弧源，更不易進入因連續放電而造成的陰極表面熱失控(Thermal Runaway)，源頭顆粒數量與尺寸因此大幅下降---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖四、高電流弧源中同時存在之弧點自體磁場的互斥行為示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》464期，更多資料請見下方附檔。