磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法
2023-12-06 03:40:26 1
專利名稱：磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法
技術領域：
本發明涉及一種使用磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，尤其是涉及到一種可實施在大型工件以及超細微型刀具上，達成表面粗糙度良好而且原子堆棧緻密的超硬膜。
背景技術：
薄膜沉積是目前最流行的表面處理法之一，可應用於裝飾品、餐具、刀具、工具、模具、半導體組件等的表面處理，泛指在各種金屬材料、超硬合金、陶瓷材料和晶圓基板的表面上，成長一層同質或異質材料薄膜的製作工藝，以獲得美觀耐磨、耐熱、耐蝕等特性。
薄膜沉積依據沉積過程中是否含有化學反應的機制，可以分為物理氣相沉積(Physical VaporDeposition，簡稱PVD)通常稱為物理蒸鍍以及化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD)通常稱為化學蒸鍍。PVD和CVD的差別在於PVD的吸附和吸解是物理性的吸附和吸解作用，而CVD的吸附和吸解是化學性的吸附和吸解反應。
由於薄膜的成長是一連串複雜的過程所構成的。首先到達基板的原子必須將縱向動量發散，原子才能「吸附」(adsorption)在基板上。這些原子會在基板表面發生形成薄膜所需要的化學反應。所形成的薄膜構成原子會在基板表面做擴散運動，當原子彼此相互碰撞時會結合而形成原子團，原子團必須達到一定的大小之後，才能持續不斷穩定成長成「核島」(island)，核島之間彼此接合方能形成整個連續的薄膜。
目前的超硬薄膜製作方法，傳統上由於磁弧濺鍍被使用在有低溫要求而表面光滑度高的光學鍍膜或者裝飾性鍍膜，而且膜層形成的沉積速度較電弧式濺鍍為慢，通常不被使用在超硬膜層的形成，而多採用電弧式物理沉積濺鍍來製作。
然而該超硬薄膜製作方法因所需能量高(電壓大)，所需加熱時間長，高溫往往超過300℃，加上離子轟擊過程中，所使用目前市售的高壓電源供應器皆為無段調整，使用上難以不斷調整改變電壓，因此附著度低，使鍍膜難以附著被鍍物，且沉積顆粒較大導致被鍍物表面粗糙度大。因而上述方法僅適合使用於較不注重表面光滑度的大型工作，如直徑0.5mm以上的鑽針或銑刀。
但是對於表面粗糙度有嚴格需求的工作而言，如(0.25mm以下)超細微型刀具，電弧式物理沉積濺鍍的超硬薄膜製作方法並無法達成其對表面粗糙度的要求。
由此可見，上述現有技術仍有諸多缺失和不足，提供一種可在小型鑽頭上有效地鍍上超硬膜的滿足表面粗糙度要求的鍍膜方法實為必要。
發明內容
因此，本發明的主要目的即在於提供一種使用磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，而可通過控制爐內溫度、偏壓、表面清潔，來達成表面粗糙度良好而且原子堆棧緻密的超硬膜，並可應用於各式工件之上，包括大型工件以及超細微型刀具，如0.1mm的鑽針等，從而推進超細微型精密工件的製作。
為達上述目的，本發明方法包括以下步驟先載入被鍍物，將被鍍物處於真空環境，以電熱器控制進行預先加熱，再利用高電壓電源供應器(High VoltagePower Supply，HVPS)控制電壓與溫度，分階段進行離子轟擊，去除被鍍物表面氧化層，使用磁控及非平衡式磁控濺射，在被鍍物上進行鍍膜，進行冷卻，鍍膜工作完成。
如上述步驟，通過高電壓電源供應器控制溫度、電壓，並達到較佳的表面清潔，從而達到附著力強，且表面粗糙度良好而且原子堆棧緻密的超硬膜。
相對現有技術，本發明具有下列優點1.本發明可通過高電壓電源供應器a的控制，對整個離子轟擊過程做完整的溫度控制及電壓分段控制，提高被鍍物b平滑度，利於鍍膜作業。
2.本發明可通過控制爐內溫度、偏壓、表面清潔以及所導入之氣體流量，來達成表面粗糙度良好而且原子堆棧緻密的超硬膜，以推進超細微型精密工件的製作。
圖1是本發明的流程圖；圖2是本發明高電壓電源供應器的架構圖；圖3是本發明鍍膜的示意圖。
具體實施方法為便於貴審查委員能更進一步對本發明的構造、使用及其特徵有更深一層，明確、詳實的認識與了解，以下結合附圖作進一步說明。
請參閱圖1，本發明所提供的使用磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其步驟如下一、載入被鍍物1。
二、將被鍍物處於真空環境2中，該真空環境至少為6×10-3Pa～6×10-5Pa。
三、以電熱器控制進行預先加熱3，使被鍍物加熱至120℃～180℃。
四、進行離子轟擊4如圖1、圖2所示，利用高電壓電源供應器a(HVPS)控制電壓於200～2500V間，同時控制加熱溫度於200～220之間，分階段進行離子轟擊4，去除被鍍物表面氧化層。該高電壓電源供應器a包括相位控制電路a1、保護及輸出選擇電路a2、變壓器電路a3、整流電路a4、倍壓電路a5、回授保護電路a6；其中，該相位控制電路a1用以接收由保護及輸出選擇電路a2的觸發訊號來控制輸出的導電角。
該保護及輸出選擇電路a2是為接收感測無異常時控制輸出的觸發信號給相位控制電路a1，並依使用者選擇的輸出控制變壓器電路a3導通的輸出。
該變壓器電路a3，輸出固定之交流電壓源。該整流電路a4，將由變壓器電路a3輸出的交流信號濾除，使電源變為穩定直流。
該倍壓電路a5用以將輸入電源升壓。
該回授保護電路a6用以避免輸出電壓過高導致損壞。
上述高電壓電源供應器a於進行離子轟擊4過程中，可提供500V、700V、1100V、1400V等四階段的負偏壓輸出，來控制轟擊時的電壓，使被鍍物在去除表面的雜質及毛邊的過程中，達到表面平整，同時更能增加附著力。
五、對被鍍物進行磁弧濺射鍍膜5。如圖1、圖3所示，使用磁控及非平衡式磁控濺射，在被鍍物上進行鍍膜，該磁弧濺射鍍膜主要使用磁控濺鍍及非平衡式磁控濺鍍法。磁控濺鍍乃採用平衡式磁弧槍，可引發電磁的交互作用，促進電子集中於被鍍物b附近，以提升離子化效應並提高濺鍍速率。非平衡式磁控濺鍍法乃採用非平衡式磁弧槍，利用陰陽磁場交互碰撞，可產生大量粒子濃度，加速薄膜沉積。該磁弧濺射鍍膜過程中，溫度得控制為為90～300℃之間，其製作工藝步驟依序為(一)、激活平衡式磁弧槍，在被鍍物b表面濺鍍一層金屬介層c，該金屬介層c可為鈦或鉻材質，由於磁弧鍍膜的成長粒子十分微小，可形成較緻密的沉積堆棧，因此表面硬度高且內應力強，可增加鍍膜的附著力。
(二)、同時激活平衡式磁弧槍與非平衡式磁弧槍，在金屬介層c表面鍍成介層與超硬膜的溶合膜層d，該溶合膜層d可以是氮化鈦或氮化鋯材質，加速薄膜沉積並仍具有高附著力與硬度。
(三)、單獨激活非平衡式磁弧槍，在溶合膜層d表面鍍成特定超硬膜層e，該超硬膜層e可以是氮碳化鈦或氮碳化鋯或二硼化鈦材質。
六、進行冷卻6，本冷卻步驟，由於工作溫度不是很高，所以可以採用自然冷卻法，無須使用其它物質。
七、鍍膜工作完成7。
由上述方法可知，如圖1、圖2、圖3所示，本發明除利用高電壓電源供應器a(HVPS)對整個離子轟擊過程做完整的溫度控制及電壓分段控制，而能以較現有電源供應器更精準且較低的電壓值來完成離子轟擊，使得被鍍物b表面更具光滑平整，有效降低表面雜質及毛邊，同時增加附著力，以利鍍膜步驟進行外，更交互使用磁控及非平衡式磁控物理濺鍍方式，並控制爐內工作溫度，以及所導入的氣體流量，來達成一表面粗糙度良好，低摩擦係數且原子堆棧緻密的超硬膜。可供應用於各式工件之上，包括大型工件甚至超細微型刀具，如0.1mm之鑽針等。
上述說明僅僅是本發明具體實施例的具體說明，然本領域一般技術人員可理解，任何非實質性更改或變換皆包含在本發明範圍內，該實施例並非用以限制本發明的專利範圍。
權利要求
1.一種磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，其包括以下步驟(1)加載被鍍物；(2)將被鍍物處於真空環境；(3)以電熱器控制進行預先加熱；(4)進行離子轟擊利用高電壓電源供應器(HVPS)控制電壓與溫度，分階段來進行離子轟擊，去除被鍍物表面氧化層；(5)使用磁控及非平衡式磁控濺射，在被鍍物上進行鍍膜；(6)進行冷卻；(7)鍍膜工作完成；獲得表面粗糙度良好而且原子堆棧緻密的超硬膜。
2.如權利要求1所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該真空環境得為6×10-3Pa～6×10-5Pa。
3.如權利要求1所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該預先加熱得至120℃～180℃。
4.如權利要求1所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該高電壓電源供應器系包括相位控制電路、保護及輸出選擇電路、變壓器電路、整流電路、倍壓電路、回授保護電路所；其中，該相位控制電路用以接收由保護及輸出選擇電路的觸發訊號來控制輸出的導電角；該保護及輸出選擇電路為接收感測無異常時控制輸出的觸發信號給相位控制電路，並依使用者選擇的輸出控制變壓器電路導通的輸出；變壓器電路，輸出固定之交流電壓源；整流電路，將由變壓器電路輸出的交流信號濾除，使電源變為穩定直流；倍壓電路，用以將輸入電源升壓；回授保護電路，用以避免輸出電壓過高導致損壞。
5.如權利要求4所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該高電壓電源供應器可控制電壓於200～2500V間。
6.如權利要求5所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該高電壓電源供應器於進行離子轟擊過程中可提供500V、700V、1100V、1400V，等4階段負偏壓輸出。
7.如權利要求4所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該高電壓電源供應器可控制最高加熱溫度於200～220℃之間。
8.如權利要求1所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該磁控及非平衡式磁控濺射進行鍍膜製作工藝的步驟依序為a.激活平衡式磁弧槍，在被鍍物表面鍍一層金屬介層；b.同時激活平衡式磁弧槍與非平衡式磁弧槍，在金屬介層表面鍍成介層與超硬膜之溶合膜層；c.單獨激活非平衡式磁弧槍，在溶合膜層表面鍍成特定超硬膜層。
9.如權利要求8所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該金屬介層是鈦或鉻材質。
10.如權利要求8所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該溶合膜層是氮化鈦或氮化鋯材質。
11.如權利要求8所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該超硬膜層是氮碳化鈦或氮碳化鋯或二硼化鈦材質。
12.如權利要求8所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該鍍膜過程中，溫度控制在90～300℃。
13.如權利要求8所述的磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其特徵在於，該進行冷卻的步驟採用自然冷卻法。
全文摘要
一種使用磁控及非平衡式磁控物理濺鍍多層覆合超硬薄膜之方法，其步驟如下先載入被鍍物，將被鍍物處於真空環境，以電熱器控制進行預先加熱，並利用高電壓電源供應器(High Voltage Power Supply，HVPS)控制電壓與溫度，分階段進行離子轟擊，去除被鍍物表面氧化層，使用磁控及非平衡式磁控濺射，在被鍍物上進行鍍膜進行冷卻，鍍膜工作完成；如上述步驟，通過控制溫度、電壓、表面清潔，達成表面粗糙度良好而且原子堆棧緻密的超硬膜層。
文檔編號C23F4/00GK1730718SQ20051009882
公開日2006年2月8日 申請日期2005年9月1日 優先權日2005年9月1日
發明者張子望 申請人:叡邦微波科技股份有限公司