做座类钻碳膜被覆处理技术及其应用

类钻碳膜被覆处理技术及其应用

摘要

類鑽碳膜具有高硬度及非常低的摩擦係數，耐酸鹼性及化學鈍性等，由於這些優越特性的組合，使得類鑽碳膜處理的應用相當廣泛。本文主要說明如何以非平衡磁控濺射法成長類鑽碳膜，並且探討製程參數與類鑽碳膜性質的關係，以及類鑽碳膜在工模具之應用例。

一、前言

所謂的碳膜即以碳為原料，利用物理或化學的方法沈積於基材表面所形成之薄膜材料。由於碳原子能以，及等三種混成軌道存在。隨著此三種混成軌道比例之不同，碳膜能表現出各種不同的物理及機械性質。依C-C鍵結比例之不同，碳膜共可區分為(1)鑽石膜（diamondfilms）─C-C形成100％鍵結，(2)類鑽石膜（diamondlike）─C-C形成混合鍵結，(3)石墨（Graphite）─C-C形成100％鍵結及，(4)類高分子薄膜（Polymer-lik鉴于当前市场走势efilm）─C-C以混合鍵結，屬於非晶質膜。若依碳膜之機械性質區分，則分為“硬質碳膜”及“軟質碳膜”，其中鑽石薄膜及類鑽石薄膜因硬度較高屬於硬質碳膜，而石墨及類高分子膜因硬度低是屬於“軟質碳膜”。硬質碳膜除了硬度非常高之外，尚具有非常低的摩擦係數及優越的電絕緣性，超高熱傳導性，耐酸鹼性，化學鈍性，光穿透性，生物相容性，光滑及耐磨耗特性等，由於這些優越特性的組合，使得硬質碳膜在機械，電子、半導體等工業之應用日益廣泛。雖然硬質碳膜具有相當優越的機械性質及物理性質之組合，但如何將之有效的應用至工業上是許多研究者努力的方向。要使硬質碳膜能應用於工具上，必需要能夠滿足下列幾個條件：(1)高成長速率，(2)能蒸鍍於複雜的幾何形狀上，(3)與底材具有高附著性，(4)能在低溫下（＜500℃）成長鍍膜，(5)高均勻性，(6)能大面積蒸鍍。如比較硬質碳膜中之鑽石膜及類鑽石碳膜的成長方法，則以類鑽石碳膜最能符合上述條件。因此，在工，模具之應用方面以類鑽碳膜最富發展潛力。本研究範圍以最能符合工業應用之類鑽石碳膜為主，說明如何以封閉式非平衡磁控濺射法成長類鑽石碳膜，並且探討非平衡磁控濺射法之製程參數與類鑽碳膜之附著性的關係，以及類鑽石碳膜在工業上之應用例。

二、類鑽碳膜之蒸鍍法

实验机固有参数对检测结果的影响 鑽石為高溫高壓穩定相，若要另外在較低的溫度及壓力下合成鑽石薄膜則需有氫原子的存在，一九七五年後各國使用化學氣相沈積法成長鑽石薄膜者，大都選加上大量的原料。傳統CVD製程有熱裂解法及熱燈絲裂解法，由於CVD化學反應皆在平衡狀態下進行，故其所生成之薄膜的品質及特性必受到熱力學及反應動力學限制，反應溫度仍然相當高，對一所以客户信任我们般工業上常使用的高速鋼，工具鋼等基材均無法應用，因此其應用受相當大的限制。為了突破CVD的困難，電漿輔助化學氣相沈積法（Plasma-enhancedCVD,PECVDorPlasmaassistedCVD,PACV）因應而生，PECVD的化學反應是藉電場或磁場將反應物活化或離子化，因此反應不受熱力學平衡的限制，可在較低溫下成長硬質碳膜。一九七八年Holland及Ojha即以丁烷為原料，用rf-PECVD系統成功地合成類鑽薄膜。從此PECVD便廣受各國研究人員所採用[1]，原料多採用含碳之有機氣體如等，壓力則多在torr範圍內，基板溫度仍高達℃。近年來更多的研究[]發現在更低的壓力（torr）之下，利用DC或rf-PECVD成功地在更低的基板溫度（℃）上成長類鑽碳膜，使得類鑽碳膜可以成長在大多數工業應用的基材上，解決了低溫蒸鍍的問題之後，如何進一步降低鍍膜的內應力，使鍍膜與基材間的附著力能再提昇而應用於工業用途上成為研究者的目標，有些以介在層的方式改善其附著性。一九八五年Dimigen及Hubsch發表專利[5]，在類鑽碳膜中添加少量金屬元素降低鍍膜的內應力增加附著性，使得類鑽碳膜應用於耐磨耗用途上更為可能，到了一九九三年Teer等人利用非平衡磁控濺射的方法成功的結合多層蒸鍍（介在層）及在類鑽碳膜中加入少量金屬元素的概念，使得類鑽碳膜與基材間的結合力更進一步的提升。至此，類鑽碳膜在工業上的應用開始大步邁開，其用途也不斷的擴增當中，潛力無限。在英國預估至二○○五年時，類鑽碳膜的市場將擴增至英磅5269￡M[6]。

三、以非平衡磁控濺射法（CFUBMS）蒸鍍類鑽石碳膜

使用CFUBMS系統，DLC的製程如下所示[7]。

抽真空至mbar

濺射清潔工件表面

導入氬氣mbar

設定偏壓值1000V

靶材1：使用Ti靶

靶材2：使用Ti靶

設定磁場電流

穩定保持5min

導入氣

設定基板偏壓值

設定Optical&n