TW201300561A - 碳電弧蒸鍍 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種進行脈衝不連續電弧放電的方法。電弧是由一個電容器提供。在脈衝之間有切斷的時間間隔，在此期間沒有電弧電流流動。在脈衝內，也就是在接通的時間間隔期間，電荷輸入會在達到一個電流門檻時停止，然後重新打開，因而在脈衝內形成子脈衝。本發明選擇的時間間隔及子脈衝使得在重新接通電容器時，很容易就可以重新點燃電弧放電。

Description

碳電弧蒸鍍

本發明涉及一種對碳標靶或含碳量很高的標靶進行陰極電弧蒸鍍，以形成碳鍍膜或含碳量很高的鍍膜的方法。

本發明特別是用來形成硬碳鍍膜，此種硬碳鍍膜完全不含氫或僅含少量的氫，且其硬度可以在很大的範圍內變化。

本發明使用的裝置能夠在低電壓狀態下以電氣方式(也就是不需機械式的點火接點)及相應的高脈衝重複頻率點燃電弧。

此外，這種裝置即使在沒有磁場支援或僅有很小的磁場支援的情況下，也能夠將電弧確實的引導到面積很小的碳標靶上，以確保能夠在真空中形成可重複製作的鍍膜。

本發明使用的裝置及提出的方法能夠在鍍膜時控制帶多個電荷的碳離子的含量，以及改變鍍膜速率。

本發明之方法及裝置之間的有利的組合可以大幅減少或完全避免電弧蒸鍍時產生的飛濺物摻入離析出的鍍膜。

本發明亦涉及一種以本發明的方法及裝置形成的不含氫的碳鍍膜，這種碳鍍膜的硬度及表面糙度可以在很大的範圍內變化，並利用這種碳鍍膜優化被鍍膜之物件及其相接物件構成的摩擦系統。

鍍膜的一種重要實施方式是摻雜其他元素，特別是 摻雜金屬及氣體，但是不會摻入大量的氫。

碳的陰極電弧蒸鍍是一種應用於工具及構件之鍍膜的已習知多年的方法。根據這種方法，標靶是由要蒸鍍的碳構成，並在電弧放電中作為陰極使用。

已知技術是以脈衝電弧電流進行碳的陰極電弧蒸鍍。直流運轉使電弧“緊咬”在標靶上的一個位置。這可能是因為石墨不同於一般金屬導體的關係，也就是說在溫度較高時，石墨的比電阻反而會變小，因而在較小電壓下促進在標靶上的一個高溫位置的電弧運轉。電弧電流的脈衝將電弧偏轉，並阻止電弧停留在斑點上，以免電弧摻入標靶。

基本上有兩種方法可以產生脈衝電弧電流。第一種方法(以下稱為方法A)是將額外的電流脈衝IKP疊加到連續電弧電流IKD上。第1圖以示意方式顯示方法A。另外一種方法(以下稱為方法B，如第2圖所示)是僅將電弧電流的電流脈衝IKP串聯在一起，由於在電流脈衝之間電流會一再被切斷，因此電弧的每一個脈衝都必須被重新計數，也就是說是以不連續的電弧電流工作。

兩種方法各具有不同的優點及缺點。方法A(在Grimm的EP_00666335_A1中有描述)的優點是，只需一個將連續電弧電流IKD點燃的點火過程。由於電流脈衝IKP被疊加到這個連續電弧電流上，因此無需自身點燃，這對於電流脈衝具有很高頻率的情況特別有利。因為只需在鍍膜過程開始時將連續電弧電流點燃，因此能 夠利用一強壯且在生產過程中常用的點火經由陰極與陽極之間的短時間低歐姆的機械式接點工作。由直流電源供應的連續電流IKD與脈衝電流IKP的疊加可以經由一並聯電容器放電獲得實現，或是經由一並聯的單極電壓源獲得實現。但是也可以使用市場上可取得的脈衝電源(例如為脈衝焊接開發的脈衝電源)，這種脈衝電源容許在一定範圍內調整脈衝參數(頻率、脈衝高度、脈衝寬度、脈衝陡度)。

Ramm et al在WO2009/059807揭示的脈衝方法是用來形成ta-C鍍膜。這種方法是將通往基本電流的直流電壓與電壓脈衝疊加，以影響電子發射行為，防止電弧基點的“緊咬”現象，也就是防止電弧基點長時間停留在標靶表面的一個很小的範圍上。直流電流供應的基本電流使電漿放電能夠不間斷的保持下去。

但如果將方法A應用於形成堅硬的碳鍍膜，則方法A需要連續電流通過的必要性也會造成兩個缺點。第一個缺點是可能會以過快的速率形成碳鍍膜，也就是連續電弧電流產生的蒸鍍形成的碳鍍膜。因為過快的鍍膜速率會減少碳的鑽石形sp3鍵，這在Yin et al.的論文“A theory for the formation of tetrahedral amorphous carbon including deposition rate effect”,in Thin Solid Films(1996)95-100頁中有詳細說明。

這會使沉積出來的鍍膜變軟，但如果這個鍍膜是作為磨損保護層之用，則變軟並非好事。一種可能的解決方法是每隔一段或大或小的時間間隔中斷鍍膜過程。但 是這意味每中斷一次就必須重新點火一次，也就是在每種程度上會失去脈衝電流及連續電弧電流之組合只需點火一次的優點。方法A的另外一個缺點是，在連續電弧中，較高電荷之碳離子的含量較低。

另外一種方法(方法B)是以電流脈衝工作，電流在電流脈衝之間每次都會重新回到零。因此每一個電流脈衝都必須重新被點火。有許多方法可以實現這個點火過程。例如Anders et al.在論文“Triggerless triggering of vacuum arcs”,J.Phys D：Appl.Phys,31,(1988),584-587頁描述的方法。所有這些方法都有一個共同點，那就是在開始時會在陰極或陽極上產生電漿，該電漿使兩個電極之間的間隔對電弧放電具有足夠的導電性，然後在靜止狀態下以低放電電壓進行電弧放電。不同方法的點火機構的可靠性各有不同。在必須重新點火之前，特定的點火裝置能夠達到的最大脈衝數也是各有不同。這表示必須進行大規模的維修工作。在最好的情況下，無需進行這樣的檢查可以達到大約100000次脈衝。這表示經過30小時的運轉時間(脈衝頻率1Hz)即需進行一次這樣的檢查。但如果是以較高的頻率工作，例如以1kHz的脈衝頻率工作，則不到2分鐘就必須中斷鍍膜過程。頻率愈高，就愈難以現有的點火機構實現點火。不過目前使用的頻率很少高過10Hz，至少在鍍膜過程中是這樣。這是因為脈衝的重複速率會受到電容器的充電時間的限制。通常是透過電容器放電的參數或電弧電流供應的脈衝持續時間斷路調整方法B的脈衝持續時間(長度)。

從以上的說明可知，方法A及方法B各有不同的優缺點。方法A只需初始點燃，連續電弧電流就能夠與頻率很高的電流疊加。但缺點是，直流電含量規定的最低蒸鍍速率會對鍍膜特性造成過大的損害。另外一個缺點是，在脈衝中電弧電壓只有短時間引起由直流電弧放電的低阻抗規定的很難控制的過電壓。這限制了帶多個電荷之碳離子的產生。

方法B的優點是，點燃電弧時的電壓相當高(這對帶多個電荷之碳離子的產生的正面影響)，以及能夠調整電弧持續時間，使電弧在到達標靶邊緣之並跳到其他材料之前被中斷(例如在標靶中心點燃時)。脈衝頻率主要是受限於點火機構的速度。但是如前面所述，在高頻率及過程持續時間較長的情況下，大部分的點火方法都是不可靠的及/或會產生不成比例的高成本。

從以上的討論可得知，吾人需要一種能夠接受沒有或很低的直流電含量、但在脈衝中具有很高的點火電壓的方法，而且這種方法要能夠以很高的頻率工作，同時又要能夠以低成本及可靠的方式實現脈衝點火。

以下可以將上面提及的在碳標靶上點燃及運轉陰極電弧的各種不同方法的缺點總結如下：目前使用的電弧蒸鍍方法都是以與脈衝疊加的直流電弧電流或被額外的點火裝置運轉的不連續電弧為基礎。方法A的脈衝疊加僅導致脈衝上升中電弧放電的低過電壓，因此所產生的帶多個電荷的碳離子的量相對較少。而且電容器需要的充電時間會限制脈衝部分的“工作週期”。在方法B中， 純脈衝運轉的多次點火會降低鍍膜過程的可靠性及/或只能以成本很高的解決方案才能獲得實現。

本發明的目是提出一種碳的陰極電弧蒸鍍的方法，這種方法要能夠以很高的頻率及很短的脈衝持續時間實現點火，而且不會有方法A(始終位於下面的直流電流)及方法B(每個脈衝都要點火)的限制。

一種有利的方式是，這種點火方法最好能夠和方法A一樣可以應用於“緩慢的”初始點火，同時也可以應用於“快速的”初始點火，也就是不是以Anders et al.描述之機械接觸為基礎的不連續脈衝運轉的點火方法進行點火。

本發明要能夠進行不連續脈衝運轉，而且在初始點火後無需來自外部的額外點火機構的協助。

本發明的一個基本構想是調整脈衝的放電電壓，以便對碳蒸鍍的電離度產生特定的影響。

本發明的另一個目的是提提出一種形成碳鍍膜的鍍膜方法，此種鍍膜方法容許在電弧鍍膜過程中可變之脈衝-停頓-比率，以便在基板上達到最佳鍍膜速率。

本發明的方法還要能夠改善方法A，也就是能夠與由快速更替的脈衝時間很短的單一脈衝構成的多重脈衝組合，以便將電弧放電的放電電壓提升到大幅高於傳統式直流電壓電弧放電之放電電壓的程度。

為達到上述目的，本發明提出的方法是在進行陰極電弧蒸鍍時，以至少一個電容器放電實現電弧放電，並 透過週期性的接通及切斷電容器的方式控制相應的放電電流，其中放電電流若在接通的時間間隔內達到一事先設定的大小，放電電流就會短時間中斷。這導致在脈衝內形成其他的脈衝，以下稱這種脈衝為子脈衝。

令人訝異的是，起動子脈衝並不需要直流電壓成分。也就是說，在切斷電壓後，可以在脈衝內重新起動電弧放電。從外部觸發的點火是沒有必要的。同樣的，也不需透過直流電壓成分維持電弧。

令人感到更為訝異的是，由於子脈衝的關係，在原本的脈衝結束後、在切斷電容器後以及在靜止時間間隔結束後，接通電容器即可重新起動電弧放電，而且無需外部觸發的點火。因此在脈衝之間也不需要有基本電流存在。本發明和先前技術的一個重要區別是，放電運轉是以有中斷的方式進行。

這樣做的一個優點是，透過接通之時間間隔內的子脈衝可大幅增加蒸鍍粒子的電離。另一個優點是，在經過靜止時間間隔後，僅需接通放電電壓即可再度點燃電弧，因此可以毫無困難的限制鍍膜速率，以實現含有大量sp3成分的堅硬的碳鍍膜。

為何無需外部觸發即可重新點燃子脈衝及在靜止時間間隔後可以重新點燃，其中的原因仍未獲得完整的解釋。發明人推測這是因為蒸鍍粒子的電離度升高，使點燃門檻降低到只需很低的電壓即可重新點燃電弧的關係。推測這也與電離粒子的慣性有關，尤其是在靜止時間間隔結束後的慣性。此處必須指出的是，可以直接根 據所使用之電弧蒸鍍設備目前的狀況，依據脈衝持續時間及子脈衝的數量決定脈衝之間的靜止時間間隔的長度。熟習該項技術者很容易就可以透過簡單的實驗得知，電弧在什麼樣長度的靜止時間間隔長度不再點燃。

以下配合範例及圖式對本發明做進一步的說明，但以下的範例及圖式不應對本發明的構想造成任何限制。

第4圖至第6圖各顯示3條曲線。最上面的曲線相當於電流變化過程，其是以右軸為準。中間的曲線相當於電壓變化過程，其是以左軸為準。下面的曲線只是顯示脈衝持續時間，其振幅是以隨機單元選出。

利用Firma OC Oerlikon Balzers AG生產的Innova型真空鍍膜設備進行試驗。熟習該項技術者可以從以下的說明方法了解這種方法轉用於其他真空鍍膜設備的可行性。

第3圖以示意方式顯示的真空鍍膜設備具有一個可抽真空的容器1，且在容器1內有一容納要鍍膜之基板的可轉動的基板支架4。所有的試驗都將流量200sccm的氬氣注入已抽真空的容器，其中容器內的總壓力為0.6Pa。氬氣的壓力可以在很大的範圍內變化，也可以使用其他的氣體，例如氮氣。

此外，在可抽真空的容器內還有一個包含要蒸鍍之碳標靶2的電弧蒸鍍源。標靶2以機械方式被固定並與接地的容器1絕緣。另外在容器內還有一個陽極3，而且最好是將陽極3設置在陰極運轉的標靶2的附近。陽 極3與標靶2在空間上的接近使電弧運轉變得更容易，尤其是以“自身點火”或沒有外部點火的方式進行的不連續脈衝順序的點火過程。將陽極3置於中間位置有助於電弧的穩定性，因為陽極3主要是促進標靶中心的點火過程，並防止電弧移動到標靶邊緣。電弧電流的脈衝亦有助於電弧放電的穩定性。這是因為一方面電弧電流的脈衝會阻止電弧停留在標靶的班點上，尤其是在不連續電弧運轉中，另一方面是因為透過將陽極3置於靠近標靶2的中間位置，使電弧電流的脈衝能夠促進標靶中心的電弧點火，並能夠在電弧到達標靶邊緣之前(透過調整脈衝持續時間)中斷電弧電流。有兩個電源被應用於標靶2的陰極電弧蒸鍍，當然也可以將這兩個電源的功能整合到同一個電源中。直流電源5提供典型空載電壓為100V的電流。在電弧運轉中，由於阻抗很低(低於1歐姆)，這個電壓會調整成低於50V，如果是碳標靶，通常會調整成20V。在這樣的電流供應下，通常最大可以將電流調整到1000A左右。但是在此處描述的實驗中，最好是僅使用100A或更低的電流，因為如前面所述，過快的鍍膜速率會導致碳鍍膜的硬度降低。接通電容器放電用的脈衝電源6的電子組件配置使其能夠接通很高的放電電流。因此一種有利的方式是，將電子構件(例如IGBT)設計成能夠在所需要的放電電流及接通頻率之間達到最佳化的尺寸。電容器的尺寸被設計成在給定的充電電壓下，能夠在電容器上儲存足夠的能量(Q=CU)，以便供應陰極電弧，或換句話說就是將相應的陰極材料(在此例中 為碳)蒸鍍。因此脈衝電源的設計需要脈衝電流、脈衝頻率、充電電壓、以及可供使用之電容器的電容等因素之間取得平衡。透過開關7及開關8可以將運轉電弧放電用的電源連接到標靶。

另外一種新的作法是(亦屬於本發明的一部分)，在初始點火之後，以脈衝電源單獨供電以運轉電弧放電，也就是僅使用脈衝電流IKP。這樣總電弧電流IKA就與IKP完全相同。如第3圖所示，電弧放電UKA的放電電壓是在陰極(標靶2)及陽極3之間被量測。按照先前技術，如果要單獨以脈衝電流運轉電弧放電，每一個脈衝都必須重新點火。而使用本發明的方法則無需一直重新點火。

電源受到二極體10的保護，二極體10的作用是阻止電源提供的電流流入另外一個電源，以防止電源受損。通常是將電源的正輸出端接地，也就是接到容器所處的電位。另外一種有利的方式是以浮動(零電位)的方式運蟻電弧放電。為達到這個目的，需將開關9切斷。視開關位置而定，使陽極為零電位或連接至地電位(與容器相同的電位)。本實驗是利用機械式點火接點11將電弧放電初始點火，點火接點11是經由一個低歐姆電阻與陽極形成短暫的接觸，因而引起標靶材料的初始蒸鍍，被蒸鍍的標靶材料使陰極與陽極之間的間隔具有導電性，以使電源5及/或電源6承擔提供蒸鍍標靶材料所需之電弧的工作，也就是說以較低的電壓使其運轉。根據本發明，在初始點火之後，可以經由開關7切斷直流電 壓源5。這樣電弧就完全是由不含直流電成分的脈衝電源6提供。

根據文獻中記載的不連續脈衝運轉(方法B)，在脈衝開始時加大電流有助於提高蒸鍍之標靶材料中的多重電離離子的含量(Paperny et al.,“Ion acceleration at different stages of a pulsed vacuum arc”,J.Phys.D：Appl.Phys.42(2009)155201)。可惜的是這些實驗並未深入討論電壓的變化過程。在脈衝開始時提高電流的原因可能與短時間接通一較高的電壓有關，也就是說，過電壓可能才是提高電離化的真正原因，而電流加大只是次要的效應。

方法B是先在陰極與陽極之間接通一較高的空載電壓，然後才點燃電弧，以實現一較高的電弧電壓。例如可以將被用來在脈衝中放電的電容器充電到很高的電壓，然後從電容器上這個很高的空載電壓出發，使電弧被另一個短時間的材料蒸鍍點燃。點燃之後，電容器開始放電，而且一直放電到其電荷仍足以維持電弧為止。在點燃之後立刻(通常是在點燃後的50μs內)在較高的電壓下進行電弧放電，然後再度下降到一較低的電壓值，這個較低的電壓值通常是因直流電弧放電的阻抗所產生。

根據先前技術(Paperny et al.)，產生較高電荷狀態的離子是發生在電流脈衝開始的階段，之後就會不會再產生產生較高電荷狀態的離子，因此當脈衝持續時間為200μs時，在50μs之後，就只會產生常見於直流電弧放 電的電荷狀態。因此為了產生較高的電荷狀態，很重要的一點是要產生100μs、或最好是50μs以下的短暫的電流脈衝。在1kHz的典型脈衝頻率下，這意味“工作週期”大幅縮短，因而使鍍膜速率變得很慢。透過材料蒸鍍產生的較快的外源點燃與要使用的電容器的充電特性有關(電容器的電容必須大到足以產生點燃用的材料電漿)，且充電時間最好是1ms(參見Anders et al.)，也就是頻率大約是1kHz。一種可能性是(雖然比較麻煩)，將多個點火電容器按時間順序連接在一起，以獲得頻率較高的脈衝順序。但這做不但很麻煩，而且成本很高，據發明人所知，目前為止並沒有人這樣做。提高脈衝頻率，尤其是不連續運轉中的短脈衝，是本發明解決的另外一個問題。

相對而言方法B在脈衝開始時加大電流的作法是比較容易實現的，而因為在點火機構上接通較高的電壓是很複雜的作法，因此方法A比較難實現較高的電弧電壓。熟習該項技術者都知道，在電流加大的直流電弧放電中可以“無限制的”逐漸升高電壓，而且不會產生明顯的過電壓。在方法A中，光是透過很陡的脈衝使直流電疊加，就會提高電弧放電的電壓。由於電流快速加大，並造成電容器快速放電，導致電容器上的電壓崩解，因此要使電壓長時間穩定升高是很困難的。這對亞音頻直流電而言更是如此，因為直流電弧放電僅具有約0.1歐姆的很小的阻抗。

本發明的方法還涉及陰極碳電弧蒸鍍的另一個層 面。根據Horikoshi et al.的研究“Vacuum Arc Deposition of Homogeneous Amorphous Carbon Films at High Growth Rates”,New Diamond and Froniter Carbon Technology,Vol.16,No.5(2006),267-277頁，可以推論電容器上的放電電壓及電容器放電的電荷量會影響陰極電弧蒸鍍出現飛濺物的頻率，也就是說，放電時的放電電壓愈高及電荷量愈多，飛物的量就愈少。這在方法B的單一電流脈衝已獲得證明。圖式中繪出的脈衝形式(第4圖，Horikoshi et al.)顯示電容器放電的一個典型的電流-時間-變化過程：開始時電流以很陡的斜率升高到一個最大值，通常是在100μs內達到這個最大值，然後電流緩慢的變小。脈衝持續時間是由放電的電容及阻抗決定。放電電壓及充電也會影響脈衝形式。

此處描述的實驗是以脈衝電源6進行，脈衝電源6是以一個受控制的電容器放電為基礎，且在這個特殊情況下容許最高2kHz的脈衝頻率及最大放電電流1000A。電容器的電容為8mF，而且可以利用最高1000V的電壓將電容器充電。電容器也容許將電流放大到2000A或更大，而且也可以使用最高2000V的充電電壓。電容器的充電時間與R及C的乘積成正比，其中R代表充電電路的歐姆電阻，C代表電容器的電容。如果要對電容C很大的電容器充電，就必須接受很長的充電時間，或是使用很大的充電電壓，以便在較短的充電時間內使電容器達到相同的充電量。但是較高的充電電壓會觸及電子構件的耐受極限，較長的充電時間會對脈衝頻率造成限制 (Anders et al.)。此外，使用較高的充電電壓也會受限於對電容器充電用的直流電壓源的限制電流(直流電壓源可以被整合到電源6，或是以外部電源的形式連接到電源6，在頕式中並分將作為外部電源的直流電壓源分開繪出)。到目前為止，以上所有的事實都是阻止為了材料蒸鍍(尤其是碳的蒸鍍)而在較高的電弧電壓下經過較長的脈衝持續時間及在較高的頻率下執行陰極電弧放電的原因。

首先要描述一種能夠改善方法A的方法。這在Grimm提出的EP_00666335_A1已有描述，這方法是經由機械式點火極(陽極)與標靶的短時間接觸點燃直流電弧放電，然後經由電源5維持直流電弧放電。此外還將來自電容器放電的電流脈衝(電源6)疊加到這個直流放電。這個脈衝的電流隨時間變化的過程基本上與Horikoshi et al.描述的變化過程並無不同：開始時電流脈衝會升高，然後下降，其過程是由電容器放電及阻抗決定。在直流電亞音頻的情況下，阻抗為0.1歐姆，也就是說，電容器會快速放電(時間常數RxC)。

第4圖顯示這種運轉方式的電壓UKA及電流IKP隨時間的變化過程。電源5提供的電流IKD(未繪出)為30A。通常這個電流會在來自電源6的脈衝期間崩潰，因為二極體會阻擋電流IKD。這會產生頻率500Hz的脈衝，脈衝持續時間為100μs，兩個脈衝之間的間隔為1900μs。從第5圖以較佳之時間解析度顯示的一個100μs的脈衝可以明顯看出，在脈衝變化過程中會出現過電壓 及過電流。由此可見，電壓從脈衝開始時的-20V，也就是從電源5供應之直流電的電壓，改變為-50V，然後穩定在大約-40V。電壓之所以會升高是因為流大幅加大。如果繼續按照方法A的運轉方式進行(Grimm的EP_00666335_A1)，並使電容器放電空載，則電流會繼續加大，電容器就會快速放電，電壓則隨著電流加大而降低(電荷從電容器流出)。因此電壓會隨時間大幅改變。

為了穩定較高的放電電壓，因此在電容器上的電壓大幅降低之前就有必要限制電弧電流的大小。這可以配合第5圖加以說明。可以在電源6規定一個限制放電時間用的脈衝持續時間，在本例中這個脈衝持續時間為100μs。為了易於理解起見，第5圖亦繪出脈衝的觸發信號(最下面的曲線)。脈衝電流的上限定為720A(在第5圖中1.4V大約相當1000A)。規定電流的極限值是為了使電弧放電的電壓能夠穩定在一個特定的範圍，或換句話說就是：在到達電壓尚未大幅崩潰時的電流值時就要將電流切斷。這要視實驗條件(例如電纜電感)、所使用之電源6的規定、以及直流電弧放電的特性等因素而定。利用示波器很容易就可以求出這個電流限制，因為示波器可以顯示電流-電壓隨時間的變化過程。

第5圖顯示電流(第5圖中最上方的曲線)在100μs的脈衝持續時間之前就已達到這個極限值，同時這種在電壓崩潰之前先將電流切斷的方法可以將較高的電壓UKA穩定約40μs，也就是說穩定在產生陰極材料之較高的電荷狀態的範圍。

實驗結果顯示，過電壓除了與電容器的充電電壓(在本實驗中為300V)有關外，亦與必須充電之電容器的大小(在本實驗中為8mF)有關。本實驗使用的將電器充電的直流電壓源的最大電流被限制在30A，並以500Hz的脈衝頻率工作，因此無法將脈衝之間的電容再度完全充電。之所以會提到這一點是要說明，在這樣的限制下這種方法仍然有用。

第6圖顯示一種脈衝電弧放電的運轉。這個例子是以提供30A之IKD的直流電源5工作。將脈衝電源6提供的脈衝疊加到這個直流放電。在本例中，脈衝持續時間為800μs(給定觸發信號)。在脈衝之間有一持續時間1200μs的脈衝停頓。在達到最大電流700A時切斷電流。在這樣的條件下觀察到在由6個子脈衝組成之脈衝的整個長度上形成一脈衝束。為了更清楚起見，第7圖選擇以較佳的時間解析度顯示。從第7圖可以看出，如果要再度以極限電流工作，子脈衝的產生可以類似於第5圖的條件將放電電壓定為-40V，持續時間為40μs，也就是一個子脈衝的持續時間。新接通子脈衝的時間常數為100μs。這個時間常數是由保護二極體的整流特性決定，使用較快的二極體可以縮短時間常數。從第7圖還可以看出，在脈衝為800μs及極限電流為700A的條件下，可以產生6個子脈衝，而且子脈衝序列大於原本可提供的子脈衝序列(大約是7.5倍)。同時在持續時間800μs的脈衝中，可以透過產生6個子脈衝，使電壓穩定的時間達到6x40μs，也就是總計240μs。

方法A不但可以利用這種方法提高脈衝頻率，也可以使電弧放電穩定在更高的電壓。但最重要的是，為了有利帶脈衝電流，這種方法可以在很大的範圍內調整直流電成分與脈衝電流成分的比例。第4圖的例子是以30A的IKD工作，IKP的時間平均值為12A。反之在第6圖的例子中，在同樣的直流電成分下，IKP的時間平均值為70A。

一種希望達到的有利方式是在方法B中形成子脈衝束。以完全避免直流電成分。這種以不連續脈衝為基礎的方法除了要面對點燃每一個脈衝的問題外，更重要的是要解決要以高出許多的序列將單一脈衝點火的問題。先前技術的點火機構無法解決這些問題。

因此一個試驗是要了解電弧電流限制、較高的放電電壓及較高序列的組合是否能夠在所產生的子脈衝中產生足夠量及足夠長時間的導電電漿，以便除了經由直流電源5及機械式點火極11僅進行一次的初始點火外，能夠免除外源點火的必要性。

為達到這個目的所採取的作法如下。第一個步驟是透過點火極11及標靶2的短暫接觸點燃一個電流IKD為40A的直流電弧放電。接著和方法A一樣，接通脈衝電源，以及將脈衝電流IKP疊加到直流電IKD上。下一個步驟是切斷直流電源5。第8圖顯示在切斷直流電源5的情況下(相當於僅以不連續脈衝進行運轉)IKP及UKA隨時間的變化過程。規定的脈衝持續時間為1000μs，脈衝停頓時間也是1000μs。令人訝異的是，以這種運轉方 式可以確保在脈衝束內的子脈衝之間無需重新點火，但是更令人訝異的是，在單一脈衝之間也無需重新點火。第9圖以較佳時間解析度顯示一具有7個子脈衝的單一脈衝。從第9圖可以看出，60V的點火電壓已足以重新點燃單一脈衝內的子脈衝，而且無需使用額外的點火裝置。令人訝異的是，這個電壓亦足以在1000μs之後再度點燃單一脈衝。因此本發明的方法無需使用額外的點火裝置即可實現不連續脈衝運轉。此外，還可以提高單一脈衝內的子脈衝序列，在本例中是提高到7kHz。

目前尚未完全了解這種快速且簡單的電弧點火方法的原因。吾人假定這個原因是氬氣及蒸鍍的碳的混合物加上脈衝運轉產生的高度電離(很高電子流)足以形成時間夠長且導電性良好性良好的電漿，以便能夠在電漿中以很低的電壓重新點燃電弧放電。為了估計本實驗使用的裝置及特殊的過程參數在剛好仍然能夠實現點火的情況下的極限值，故調整單一脈衝，使其持續時間變短及停頓時間變長。第10圖顯示一持續時間900μs的脈衝，在其變化過程中產生6個子脈衝。脈衝停頓時間為1100μs。在這種情況下剛好還能夠以純粹的不連續脈衝實現點火運轉。若是使用更短的脈衝持續時間及更長的脈衝停頓時間，將無保確保一定能順利點火。但是這足以使熟習該項技術者明白，電容的改變、不同的切斷電流、不同的(或沒有)氣流、電容器的上不同的電壓等因素都會影響自身點火的極限值，而且很容易透過實驗裝置調整這些因素。

以上的說明是將本發明的方法應用於碳的陰極電弧蒸鍍，因為以碳作為材料非常難運轉陰極電弧，也就是說阻止其“緊咬”在標靶上的一個位置。但是本發明的方法也可以應用於其他的材料。本發明亦可以應於純金屬標靶或是由多種材料構成的標靶，例如粉末冶金法製作的標靶。本發明對低熔點的材料具有特殊優點，因為脈衝運轉可以減少飛濺物的形成。本發明亦可應用於在含有氣、氮或碳的氣體中的反應過程，其優點是可以提高電離度及減少飛濺物的形成。

透過設置於標靶中心的陽極及電弧電流的脈衝，特別是使用不連續運轉，可以確保穩定的電弧放電。

不連續的脈衝運轉也容許金屬成分含量最高達50%的碳標靶的陰極蒸鍍。

將單一脈衝分散成較高序列及跨越較長時間之子脈衝束的方法可以在沒有外源點火的情況下實現不連續脈衝運轉，而且是在彼此相距很近的子脈衝之間及單一脈衝之間均可實現。

電容器上的電壓(電源6)可以在很大範圍內變化，以產生陰極電弧放電蒸鍍之材料的高電荷的離子。

將較高的放電電壓及快速但電流受限之放電結合在一起，有助於減少合成碳鍍膜或含碳鍍膜中的飛濺物形成。

本發明的方法是一種電弧放電的不連續脈衝運轉，而且無需重新點火。

本發明無需為電弧放電提供直流保持電流。

以上描述的是一種以至少一個電容器放電實現脈衝不連續電弧放電，並透過週期性的接通及切斷電容器的方式控制相應之放電電流的方法，其中在切斷期間電容器被切斷時，不會有電流從電源流出，同時放電電流若在接通的時間間隔內達到一事先設定的大小，放電電流就會短時間中斷，並導致在脈衝內形成子脈衝。

一種有利的方式是使第一批多個切斷的時間間隔短到在其結束後，無需外部裝置即可透過接通電容器重新點燃電弧放電。

一種有利的方式是，利用一個點火裝置--最好是直流電-直流電壓源--首次點燃電弧放電，並在點燃電弧後首次接通電容器。最好在首次接通電容器的時間點利用充電器具將電容器充電到第一電荷狀態，然後在切斷直流電-直流電壓源時繼續運轉電弧放電。

一種有利的方式是，根據將至少一個電容器充電的充電器具選擇第二批多個切斷時間間隔的長度，以使電容器在第二批多個切斷時間間隔結束後基本上達到第一電荷狀態。

以上描述的電弧放電可用來運轉陰極電弧蒸鍍。

以上描述的是一種對基板進行鍍膜的方法，包括以下的步驟：--準備基板；--將基板放到真空箱內；--將真空箱抽真空；--執行以上所述的陰極電弧蒸鍍。

利用這種鍍膜方法可以形成不含氫及/或含氫及/或不含金屬及/或含金屬的碳鍍膜。

1‧‧‧容器

2‧‧‧標靶(陰極)

3‧‧‧陽極(最好是位於標靶中心，但不是一定要位於標靶中心)

4‧‧‧基板支架(可旋轉)

5‧‧‧直流(電弧)電源

6‧‧‧脈衝(電弧)電源

7‧‧‧接通IKD的開關

8‧‧‧接通IKP的開關

9‧‧‧將陽極接地或接通至浮動電位用的開關

10‧‧‧保護二極體

11‧‧‧機械式點火極

12‧‧‧在點火極與陽極之間限制電流用的電阻

第1圖係方法A(先前技術)的示意圖。

第2圖係方法B(先前技術)的示意圖。

第3圖係真空鍍膜設備及與電源的配線。

第4圖係按照光前技術之方法A運轉的電弧放電，UKA及IKP隨時間的變化過程，脈衝頻率500Hz。脈衝持續時間為100μs。

第5圖係按照光前技術之方法A運轉的電弧放電，一解析度較佳之單一脈衝的UKA及IKP隨時間的變化過程，脈衝頻率500Hz。脈衝觸發信號為100μs。電流在預定的脈衝時間內增加，其中電流在100μs之前就達到可自由選擇電流限制(約720A)，因而導致電壓切斷約40μs。

第6圖係脈衝電弧放電(改良的方法A)的運轉方式。直流電源(5)提供的IKD為30A(圖中未示出)。脈衝電流電源(6)的脈衝被疊加到這個直流放電上。脈衝電源IKP顯示於圖中。在本例中，脈衝持續時間為800μs(給定觸發信號)。在脈衝之間有一持續時間1200μs的脈衝停頓。在電流達到700A時切斷電流。在這樣的條件下觀察到在由6個子脈衝組成之脈衝的整個長度上形成一脈衝束。

第7圖係第6圖之較佳的時間解析度的曲線。規定的脈衝持續時間為800μs，極限電流約為700A。在這個脈衝持續時間內由電流制限產生6個子脈衝，而且在每 一個子脈衝內電壓大約有40μs被穩定在較高的程度。

第8圖係本發明之脈衝電弧放電的運轉方式。圖中顯示在切斷直流電源(5)的情況下(相當於僅以不連續脈衝進行運轉)IKP及UKA隨時間的變化過程。規定的脈衝持續時間為1000μs，脈衝停頓時間也是1000μs。

第9圖係第8圖之較佳時間解析度的曲線。顯示一具有7個子脈衝的單一脈衝。從曲線可以看出，60V的點火電壓已足以重新點燃單一脈衝內的子脈衝，而且無需使用額外的點火裝置。令人訝異的是，這個電壓亦足以在1000μs之後再度點燃單一脈衝。

第10圖係顯示UKA及IKP隨時間的變化過程(根據本發明無直流電亞音頻)，其中脈衝持續時間為900μs，且在其變化過程中產生6個子脈衝。脈衝停頓時間為1100μs。在這種情況下剛好還能夠以純粹的不連續脈衝實現點火運轉。若是使用更短的脈衝持續時間及更長的脈衝停頓時間，將無保確保一定能順利點火。

Claims (7)

1. 一種以至少一個電容器放電實現脈衝不連續電弧放電，並透過週期性的接通及切斷電容器的方式控制相應之放電電流的方法，其中在切斷期間電容器被切斷時，不會有電流從電源流出，其特徵為：放電電流若在接通的時間間隔內達到一事先設定的大小，放電電流就會短時間中斷，並導致在脈衝內形成子脈衝。
2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中至少使第一批多個切斷的時間間隔短到在其結束後，無需外部裝置即可透過接通電容器重新點燃電弧放電。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項的方法，其中利用一個點火裝置，最好是直流電-直流電壓源，首次點燃電弧放電，在點燃電弧後首次接通電容器，並在首次接通電容器的時間點利用充電器具將電容器充電到第一電荷狀態，然後在切斷直流電-直流電壓源時繼續運轉電弧放電。
4. 如申請專利範圍第3項的方法，其中根據將至少一個電容器充電的充電器具選擇第二批多個切斷時間間隔的長度，以使電容器在第二批多個切斷時間間隔結束後基本上達到第一電荷狀態。
5. 一種進行陰極電弧蒸鍍的方法，其中利用如前述申請專利範圍中任一項的電弧放電進行電弧蒸鍍。
6. 一種對基板進行鍍膜的方法，包括以下的步驟：準備基板；將基板放到真空箱內； 將真空箱抽真空；按照如申請專利範圍第5項的方法進行陰極電弧蒸鍍。
7. 如申請專利範圍第6項的方法，其中形成不含氫及/或含氫及/或不含金屬及/或含金屬的碳鍍膜。