陰極電弧蒸鍍方式澱積類金剛石碳膜的製備方法

2023-06-22 02:18:26 1

專利名稱：陰極電弧蒸鍍方式澱積類金剛石碳膜的製備方法
技術領域：
本發明是有關於一種陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法，以及特別是有關於一種以陰極電弧蒸鍍法為核心技術發展出複合物理汽相澱積製備工藝，即結合PVD澱積中介層及等離子體增強化學汽相澱積(以PEC VD澱積類金剛石碳膜)的製備工藝，因此其實在是一種相當具有實用性及進步性的發明，相當值得產業界來推廣，並公諸於社會大眾。
由於類金剛石碳膜(DIAMOND-LIKE CARBON(DLC)，FILMS)具有高硬度、極低導電性、低摩擦係數、低化學親和力等特性，因此而被廣泛應用於需具低磨耗、抗腐蝕的場合，諸如半導體工業與機械耐磨耗零部件；而類金剛石碳膜的組織為一非晶形(NON-CRYSTALLINE)結構同時具有sp2及sp3鍵合碳膜，另外類金剛石碳膜又可分為含氫類金剛石碳膜(a-cH)與不含氫的類金剛石碳膜(a-c)；含氫類金剛石碳膜一般是採用烴類氣體裂解方式來獲得，如等離子體增強化學汽相澱積法(PECVD)、熱燈絲化學汽相澱積方法(HOT-FILAMENT CVD)或雷射澱積法(LASER ABLASION)；而不含氫的類金剛石碳膜則採用磁控濺射法(MAGNETRONSPUTTERING)，電子束蒸發法(ELECTRON BEAM EVEPORATION)或陰極電弧等離子體蒸鍍法(CATHODIC ARC EVEPORATION，CAE)，而值得一提的是，陰極電弧蒸鍍法可利用其高離化率並控制離子動能以獲得高硬度類金剛石碳膜。
目前採用以上方法製備類金剛石碳膜的主要缺點在於此類金剛石碳膜高內應力及附著力不佳以致澱積的厚度只有0．2～1．0μm，因而無法有效應用於機械模具或零部件，而為了改善此項缺點，請參看附件一所示，FRANCESCHINI[1]等人即在含氫類金剛石碳膜中加入氮以改善內應力並獲致某種程度的效果。FALABELLA[2]等人利用陰極電弧蒸鍍法以石墨靶澱積類金剛石碳膜，在其專利所引用的方法乃加入金屬作為中介層或在類金剛石碳膜中加入氮以減少內應力，但以上的方法須在同一蒸鍍系統中採用2種以上的靶材。MONAGHAM[3]等人利用結合磁控濺射與PECVD的合成法以製備含金屬中介層及雜質的類金剛石碳膜，此製備工藝的優點在於可以低溫結合PVD與PECVD方法製備DLC，但受限於其非對稱式磁控濺射(UBM)系統的離化能，其薄膜硬度介於金屬氮化物與傳統DLC之間，且其澱積速度亦較低。
因此有鑑於此，本發明人乃積極開發研究，以期能創作一種陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法，而能改進傳統的類金剛石碳膜製法，而使得其更具產業上的利用價值。
本發明的主要目的是在於提供一種陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法，而使得其可以提高所製成的類金剛石碳膜的附著力，同時亦可以改善類金剛石碳膜的殘餘應力；而本發明的次要目的是可以使得其製成的類金剛石碳膜更具較高的硬度，以利產業上的利用；因此其總體來講，本發明可說是相當具有功效性，且可以稱為相當突破的一種發明，相當具有產業上的利用價值。
本發明是有關於一種陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法，這種陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法其主要乃是在利用電弧蒸鍍法澱積類金剛石碳膜製備工藝中，利用高離化率的金屬弧源所提供的高能量等離子體與通入的烴類氣體(如CH4或C2H2)產生裂解及澱積反應，形成含金屬滲入物的類金剛石碳膜，並經由調整基材偏壓、工作壓力、反應氣體種類及弧源靶材種類，而製成具有不同機械性質的含金屬類金剛石碳膜；而所通入的烴類氣體分壓可介於0．5Pa～5．0Pa之間，同時經由控制基材偏壓與烴類氣體分壓的調整而可獲得不同微觀結構及機械性質的類金剛石碳膜，以薄膜硬度為例，經由參數的調整可介於HV1800～HV4200之間。適當的基材偏壓參數可形成良好的中介層，如Cr、Ti中介層，一般基材偏壓介於-100V～-300V之間，而基材偏壓電源形式可採用直流(DC)、脈動式(Pulsed)或RF電源供應器；請配合參看實施例所示，其是為利用本發明製備類金剛石碳膜的製備工藝實施例及其製備工藝參數，如此可以利用本發明而獲得不同機械性質的含金屬類金剛石碳膜。


圖1是陰極電弧蒸鍍法激發澱積類金剛石碳膜的(a)-特性拉曼光譜及(b)-EELS光譜圖。利用陰極電弧蒸鍍法以鉻(Cr)金屬作為陰極靶材，基材材質為M2，藉助於激發C2H2裂解以製備類金剛石碳膜的製程參數如表一所列。
表一利用陰極電弧蒸鍍法製備類金剛石碳膜的製備工藝參數參數 數值工作壓力(Pa) 2．0弧源電流(A) 70基材偏壓(V) -150ID／IG 0．97G Band(cm-1) 1550薄膜硬度(Hv25) 3824在加入工作壓力為2．0Pa的反應氣體(C2H2)並施以-150V的基材偏壓下，可獲得類金剛石碳膜的澱積。拉曼光譜及EELS光譜分析顯示，如圖一，碳膜中富含具DLC特性波型的sp2及sp3的非晶質混合碳鍵。所澱積的薄膜硬度約為HV253824，較金屬氮化物高出甚多，同時藉助於金屬、金屬氮化物或金屬碳化物中介層產生良好的薄膜附著性。此種含鉻類金剛石碳膜同時藉助於金屬、金屬氮化物或金屬碳化物中介層產生良好的薄膜附著性。可應用於耐磨耗機械零部件或模具的保護塗層。例如在20牛頓負荷下，與51200軸承鋼球對磨的劃痕(pin-on-disk)磨耗試驗中，本實施例所澱積的類金剛石碳膜即可得到3500公尺以上的磨耗距離仍未見薄膜發生破壞。此類金剛石碳膜的磨擦係數只有0．02～0．04，相對於一般PVD表面處理的氮化鈦薄膜磨擦係數為0．3～0．5來得低很多，可見利用本發明所製備的類金剛石碳膜是耐磨耗機械零部件或模具極佳的選擇。
因此本發明提供一種利用陰極電弧蒸鍍法以金屬靶激發PECVD製備工藝澱積類金剛石碳膜的製備方法，經由調整基材偏壓，工作偏壓，反應氣體種類及弧源靶材種類可獲得不同機械性質的含金屬類金剛石碳膜，如此，本發明所製備的類金剛石碳膜可應用在半導體、光電、光學及各式刀具、模具與機械零部件需提供耐磨耗的保護塗裝。
另外在陰極電弧蒸鍍法中通入烴類氣體的同時亦可以加入其他氣體作為摻雜劑(Dopant)，如氮氣(N2)，經由添加摻雜劑參與裂解反，可改善類金剛石碳膜的sp3碳鍵的自由度，藉助於摻雜劑的添加即可獲得不同比例的拉曼偏移強度比(The intensity ratio of Raman shifts，ID／IG)，同時亦改善類金剛石碳膜的薄膜硬度值。
因此由以上所述的陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法，可知本發明提供比常規的類金剛石碳膜的製備方法更新穎的製備工藝，而且可以使得陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法所製成的類金剛石碳膜更具產業上的利用價值，為使貴審查員更能了解到本發明所能達到的功效及價值性，現就以上的論點加以論述1．本發明可以應用於半導體、光電、光學及機械抗磨耗產業，而運用於各種機械零部件、模具及刀具上時類金剛石碳膜即需同時具備高硬度及韌性。
2．本發明所製備的類金剛石碳膜能改善附著力並提高硬度。
3．利用本發明而可以提高類金剛石碳膜的附著力，亦可在類金剛石碳膜中滲入金屬、金屬氮化物或金屬碳化物以改善類金剛石碳膜的殘餘應力。
綜上所述，本發明陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法在結構設計、使用實用性及成本效益上，確實是完全符合產業上發展所需，且所揭露的結構發明亦是具有前所未有的創新構造，其既未見於任何刊物，而且市面上亦未見有任何類似的產品，所以其具有「新穎性」應無疑慮；且本案申請人是為實際生產製造「陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法」的公司，其發展此類產品已有十數年的經驗，對於常規陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法所產生的問題缺失相當了解，本發明確實具有增進相當的功效，因此本案確實符合鈞局有關發明專利的要件，請查照之。
權利要求
1．一種陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法，其主要乃是在利用陰極電弧蒸鍍法澱積類金剛石碳膜製備工藝中，利用高離化率的金屬弧源所提供的高能量等離子體與通入的烴類氣體產生裂解及澱積反應，形成含金屬摻雜劑的類金剛石碳膜，並經由調整基材偏壓、工作壓力、反應氣體種類及弧源靶材種類，而製成具有不同機械性質的含金屬類金剛石碳膜。
2．根據權利要求1所述的陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法，在蒸鍍工藝過程中，其金屬弧源可先行澱積金屬、金屬氮化物或金屬碳化物中介層以提高類金剛石碳膜的附著力。
3．根據權利要求2所述的陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法，其中該添加的金屬介質為可形成金屬氮化物或金屬碳化物的金屬如鉻、鈦或鋯等，即可提升類金剛石碳膜的韌性。
4．根據權利要求1所述的陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法，其中該弧源部份可採用隨機式弧源、操控式弧源或過濾式弧源。
5．根據權利要求1所述的陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法，在通入烴類氣體產生裂解及澱積反應的同時可加入雜質原子，如氮原子，即可提升類金剛石碳膜的韌性。
6．根據權利要求1所述的陰極電弧蒸鍍類金剛石碳膜的製備方法，其中該基材偏壓形式可採用直流、脈波或RF電源供應器。
全文摘要
本發明採用陰極電弧蒸鍍方式澱積類金剛石碳膜的製備方法,是利用CAE金屬離子的高離子能量激發真空室中烴類氣體的裂解反應而澱積高硬度、高潤滑性的類金剛石碳膜,該碳膜由於內含金屬成分而具有良好的韌性,另外澱積類金剛石碳膜之前可藉助於同一金屬弧源以CAE製備工藝先澱積一層或多層的金屬、金屬氮化物或金屬碳化物中介層以強化類金剛石碳膜的附著性,再通過烴類氣體與金屬弧源等離子體產生烴類氣體的裂解反應而澱積類金剛石碳膜。
文檔編號C23C14/06GK1289861SQ9911946
公開日2001年4月4日 申請日期1999年9月29日 優先權日1999年9月29日
發明者汪大永 申請人:永源科技股份有限公司