CN101830089A - 耐磨耗薄膜结构、模具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨耗薄膜结构，该耐磨耗薄膜结构包括一中间层、一渐进层及一类钻碳层，渐进层形成于中间层上，类钻碳层形成于渐进层上，而类钻碳层含有一掺杂物。在类钻碳层中添加掺杂物，用以降低类钻碳层的内应力及其摩擦系数。本发明也揭露使用上述薄膜结构的模具及其制作方法。本发明通过中间层与渐进层的原子结构分别与基板和类钻碳层相似，因此，类钻碳层能通过中间层与渐进层的设计而不易由基板上剥落。另外，在类钻碳层中添加氢、氟、氮和硅等元素，以降低类钻碳层的内应力及其摩擦系数。

Description

耐磨耗薄膜结构、模具及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜结构，尤其涉及一种耐磨耗薄膜结构及使用此薄膜结构的模具及其制造方法。

背景技术

同时拥有sp2与sp3混成轨域的碳膜称之为类钻碳(Diamond-like carbon，DLC)薄膜，其中类钻碳薄膜的特性与天然钻石相近，除了高硬度与高绝缘性外，对酸、碱、热都有很好的抗性。同时，非晶质结构的类钻碳表面平整可以达到纳米等级，具有低摩擦系数的效果，使其在相对运动下能避免磨损。由于类钻碳薄膜的耐磨、耐蚀和抗辐射等特性，同时又能做成各种复杂的形状披覆在工件的表面，作为保护、润滑、散热与美观等作用，因此，几乎各种工业都可以看到它的存在，例如：生医材料、半导体材料、表面声波组件等。

一般现有技术是在类钻碳薄膜表面渗入氟，以形成含氟的边界层在保护层的外表面，用以提升研磨工具的耐磨性。然而，在类钻碳薄膜形成之后，再将氟渗入类钻碳薄膜表面，仅会在类钻碳薄膜表面形成含氟的边界层，因此，氟无法均匀地分布于类钻碳薄膜中，而造成对研磨工具无法达到完整的保护。

另外，现有技术的方式中是以溅镀(sputter)等方式将氟于类钻碳薄膜制作过程中混入，但使用溅镀的方法会造成氟的含量越靠近类钻碳薄膜与空气的接口越少，因此，造成表面的保护效果不足。

除了上述现有技术的问题之外，类钻碳薄膜在成长过程中，由于高能粒子的撞击，且在低温下到达基板，离子扩散的距离小容易结合在一起而形成较大的内应力，使镀膜在基板上的附着力不佳，容易造成镀膜的剥落。因此，现有技术是在基板与类钻碳薄膜之间制作一中间层加以改良，但以氮化处理或碳化处理等方式制作的中间层无法与基板和类钻碳层形成稳定的分子键结，仍会产生类钻碳薄膜剥落的问题。相关现有技术揭露于美国专利第6446933号及日本专利第8337874号、第3183010号和第5169459号。

因此，现有技术的模具上镀覆的类钻碳薄膜仍有许多问题尚待解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨耗薄膜结构，其具有低薄膜内应力及摩擦系数，可提高所使用的模具的效能及使用寿命。

本发明的另一目的是在提供一种模具，使用上述的薄膜结构，以解决现有技术的类钻碳层因为内应力的原因，而使得类钻碳层容易由模具的基板上剥落的问题。

为达成上述目的或其它目的，本发明提供一种薄膜结构，包括一中间层、一渐进层及一类钻碳层，渐进层形成于中间层上，类钻碳层形成于渐进层上，类钻碳层含有一掺杂物。中间层用以降低因类钻碳层与基板之间板料不同所产生的内应力，使类钻碳层不易由基板上剥落。而中间层及渐进层用以改善类钻碳层与基板之间的附着性，而类钻碳层的掺杂物为降低类钻碳薄膜的内应力及其摩擦系数。

依照本发明所述的薄膜结构，其中类钻碳层的掺杂物包含氢、氟、氮或硅及其混合。其中掺杂物包含1％至50％原子百分比的氢、氟、氮及硅至少其中之一，较佳含量为5％至20％。其中掺杂物包含各占1％至20％原子百分比的氟和氮，较佳含量为5％至15％原子百分比。其中掺杂物包含各占1％至20％原子百分比的氟、氮和硅，较佳含量为5％至15％原子百分比。

依照本发明所述的薄膜结构，其中，中间层包含碳、氢和硅。渐进层包含碳、氢和硅，且渐进层中的硅含量随着远离中间层而渐减。

本发明另提供一种模具，使用上述的耐磨耗薄膜结构，包括一基板以及一薄膜结构，薄膜结构设置于基板上，且包括一中间层、一渐进层及一类钻碳层。中间层形成于基板上，渐进层形成于中间层上，而类钻碳层形成于渐进层上，类钻碳层含有一掺杂物。

本发明另提供一种模具的制作方法，包括提供一基板、形成一中间层于基板上、形成一渐进层于中间层上以及形成一类钻碳层于渐进层上，其中，类钻碳层含有一掺杂物，而中间层、渐进层及类钻碳层系构成一薄膜结构。

依照本发明所述的模具的制作方法，其中包括利用等离子辅助化学气相沉积法形成中间层于基板上，且包括利用碳、氢和硅沉积形成中间层。

依照本发明所述的模具之制作方法，其中包括利用等离子辅助化学气相沉积法形成渐进层于中间层上，且包括利用碳、氢和硅沉积形成渐进层。其中渐进层的硅含量随着远离中间层而渐减。

依照本发明所述的模具之制作方法，其中包括利用等离子辅助化学气相沉积的方式形成类钻碳层于渐进层上，类钻碳层之掺杂物包含氢、氟、氮或硅及其混合。其中掺杂物包含1％至50％原子百分比的氢、氟、氮及硅至少其中之一，较佳含量为5％至20％。其中掺杂物包含各占1％至20％原子百分比的氟和氮，较佳含量为5％至15％原子百分比。其中掺杂物包含各占1％至20％原子百分比的氟、氮和硅，较佳含量为5％至15％原子百分比。

依照本发明所述的模具的制作方法，其中，中间层包含碳、氢和硅，渐进层包含碳、氢和硅，且渐进层中的硅含量系随着远离中间层而渐减。

综上所述，本发明所揭露的耐磨耗薄膜结构及其制造方法，是通过中间层与渐进层的原子结构分别与基板和类钻碳层相似，因此，类钻碳层能通过中间层与渐进层的设计而不易由基板上剥落。再者，在类钻碳层中添加氢、氟、氮和硅等元素，以降低类钻碳层的内应力及其摩擦系数。

有关本发明的特征与实作，兹配合图示作最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的模具的结构示意图；

图2为根据本发明一实施例的模具的制作方法流程示意图；以及

图3A及图3B为根据本发明的耐磨耗薄膜结构的磨擦系数与距离量测图。

其中，附图标记：

10：模具

21：基板

22：中间层

23：渐进层

24：类钻碳层

100：耐磨耗薄膜结构

具体实施方式

图1为根据本发明一实施例的模具的结构示意图。请参阅图1，模具10包括一耐磨耗薄膜结构100及一基板21，耐磨耗结薄膜结构100设置于基板21之上。耐磨耗薄膜结构100包括一中间层22、一渐进层23及一类钻碳层24，其中，中间层22位于基板21上，渐进层23位于中间层22上，类钻碳层24位于渐进层23上，而基板21的板料包括任何金属或非金属板料。

在本实施例中，中间层22及渐进层23依序设置于基板21上，其板质包含碳、氢和硅。然而，要说明的是，渐进层23内的硅含量随着远离中间层22而渐减，其中，渐进层包含1％至50％原子百分比的硅，而中间层22包含1％至50％原子百分比的硅，较佳是包含20％至40％原子百分比的硅。

另外，类钻碳层24含有一掺杂物，包括氢、氟、氮或硅元素及其混合。在类钻碳层24中添加其它元素，可减少类钻碳层24中的sp2键结结构，而避免石墨化的产生，同时帮助在高温时稳定sp3结构。类钻碳层24的掺杂物，包含1％至50％的原子百分比的氟，较佳为包含5％至20％的原子百分比的氟。或者，包含1％至50％的原子百分比的氮，而较佳为包含5％至20％的原子百分比的氮。或者，包含1％至50％的原子百分比的硅，较佳为包含5％至20％的原子百分比的硅。当然，类钻碳层24可以同时包含有各占1％至20％的原子百分比的氟和氮，而较佳为同时包含有各占5％至15％的原子百分比的氟和氮。或是类钻碳层24也可以同时包含各占1％至20％的原子百分比的氟、氮和硅，较佳为同时包含有各占5％至15％的原子百分比的氟、氮和硅。

由于本发明的耐磨耗薄膜结构100具有中间层22、渐进层23和类钻碳层24，上述薄膜之间彼此相邻设置且原子结构相近，因此，相邻的薄膜不会因为原子缺陷等问题，产生类钻碳薄膜与基板之间因板料的不同而产生内应力并造成薄膜剥落的现象，因此，中间层及渐进层可增加类钻碳层与基板之间的附着力。除此之外，本发明在类钻碳层添加掺杂物，以降低类钻碳薄膜内应力及其摩擦系数。因此，由于上述的耐磨耗薄膜结构的特性，使用于模具上时，可增加模具的使用寿命及其使用性能。

请参照图2，为根据本发明的模具的制作方法流程示意图，其中模具使用前述的耐磨耗薄膜结构100。

首先，提供一基板(步骤31)。

接着，形成一中间层于基板上(步骤32)，其中中间层包含碳、氢和硅。

之后，形成一渐进层于中间层上(步骤33)，其中渐进层包含碳、氢和硅的物质，且渐进层中的硅含量随着远离中间层而渐减。

最后，形成一类钻碳层于渐进层上(步骤34)，其中类钻碳层含有一掺杂物。

要说明的是，在本发明中，利用等离子辅助化学气相沉积(Plasma AssistedChemical Vapor Deposition，PACVD)法形成耐磨耗薄膜结构的每一层薄膜，其中将反应气体通入反应腔室内以沉积所需的薄膜在基板上。在一实施例中，利用包含有碳、氢和硅的气体以沉积中间层及渐进层。中间层的沉积厚度可以为1纳米至300纳米，较佳的厚度为1纳米至50纳米，而渐进层的沉积厚度可以为1纳米至500纳米，较佳的厚度为10纳米至100纳米。要说明的是，在沉积形成渐进层的过程中，将含有硅的反应气体逐渐抽离反应腔室，因此，渐进层中的硅含量会随着远离中间层而逐渐递减。另外，在本发明中，通入包含有含碳、氢和掺杂物的气体以沉积类钻碳层，类钻碳层的沉积厚度可为0.1微米(um)至20微米，较佳的厚度为1微米至5微米。

请参照图3A及图3B，为根据本发明的耐磨耗薄膜的摩擦系数与距离量测图，其中，耐磨耗薄膜分别加入氟及硅的掺杂物。由图中可看出，在制作过程中未添加掺杂物的类钻碳层，其摩擦系数(Friction Coefficient)约在0.1-0.2μ，而添加氟及硅掺杂物的类钻碳层的摩擦系数小于0.05μ，其相较于现有技术的未添加氟的类钻碳层有较低的摩擦系数。

综上所述，本发明的模具使用耐磨耗薄膜结构，通过中间层与渐进层的原子结构分别与基板和类钻碳层相似，因此，类钻碳层能通过中间层与渐进层的设计而不易由基板上剥落，且类钻碳层含有掺杂物可降低其内应力及摩擦系数，因此，由于本发明的耐磨耗薄膜结构的特性，当使用于模具上时，可增加模具的使用寿命及其使用性能。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (30)

1.一种耐磨耗薄膜结构，用于一模具，其特征在于，包括：

一中间层；

一渐进层，形成于该中间层上；以及

一类钻碳层，形成于该渐进层上，该类钻碳层含有一掺杂物。

2.根据权利要求1所述的耐磨耗薄膜结构，其特征在于，该类钻碳层的该掺杂物包含1％至50％原子百分比的氢、氟、氮或硅及其混合中至少其中之一。

3.根据权利要求2所述的耐磨耗薄膜结构，其特征在于，该类钻碳层的该掺杂物包含5％至20％原子百分比氢、氟、氮及硅中至少其中之一。

4.根据权利要求2所述的耐磨耗薄膜结构，其特征在于，该掺杂物包含各占1％至20％原子百分比的氟和氮。

5.根据权利要求4所述的耐磨耗薄膜结构，其特征在于，该掺杂物包含各占5％至15％原子百分比的氟和氮。

6.根据权利要求2所述的耐磨耗薄膜结构，其特征在于，该掺杂物包含各占1％至20％原子百分比的氟、氮和硅。

7.根据权利要求6所述的耐磨耗薄膜结构，其特征在于，该掺杂物包含各占5％至15％原子百分比的氟、氮和硅。

8.根据权利要求1所述的耐磨耗薄膜结构，其特征在于，该中间层包含碳、氢和硅。

9.根据权利要求8所述的耐磨耗薄膜结构，其特征在于，该中间层包含1％至50％原子百分比的硅。

10.根据权利要求9所述的耐磨耗薄膜结构，其特征在于，该中间层包含20％至40％原子百分比的硅。

11.根据权利要求1所述的耐磨耗薄膜结构，其特征在于，该渐进层包含碳、氢和硅，且硅含量随着远离该中间层渐减。

12.根据权利要求11所述的耐磨耗薄膜结构，其特征在于，该渐进层包含1％至50％原子百分比的硅。

13.一种具有权利要求1耐磨耗薄膜结构的模具，其特征在于，包含：

一基板；以及

一薄膜结构，设置于该基板上，包括：

一中间层，形成于该基板上；

一渐进层，形成于该中间层上；以及

一类钻碳层，形成于该渐进层上，该类钻碳层含有一掺杂物。

14.根据权利要求13所述的模具，其特征在于，该中间层的厚度为1纳米至300纳米。

15.根据权利要求14所述的模具，其特征在于，该中间层的厚度为1纳米至50纳米。

16.根据权利要求13所述的模具，其特征在于，该渐进层的厚度为1纳米至500纳米。

17.根据权利要求16所述的模具，其特征在于，该渐进层的厚度为10纳米至100纳米。

18.根据权利要求13所述的模具，其特征在于，该类钻碳层的厚度为0.1微米至20微米。

19.根据权利要求18所述的模具，其特征在于，该类钻碳层的厚度为1微米至5微米。

20.一种模具的制造方法，其特征在于，包含：

提供一基板；

形成一中间层于该基板上；

形成一渐进层于该中间层上；以及

形成一类钻碳层于该渐进层上；

其中，该类钻碳层含有一掺杂物，该中间层、该渐进层及该类钻碳层构成一薄膜结构。

21.根据权利要求20所述的模具的制造方法，其特征在于，包括利用等离子辅助化学气相沉积法形成该中间层、渐进层以及类钻碳层。

22.根据权利要求20所述的模具的制造方法，其特征在于，包括利用碳、氢和硅沉积形成该中间层以及渐进层。

23.根据权利要求20所述的模具的制造方法，其特征在于，该渐进层的硅含量随着远离该中间层渐减。

24.根据权利要求20所述的模具的制造方法，其特征在于，该类钻碳层的掺杂物包含氢、氟、氮或硅及其混合。

25.根据权利要求24所述的模具的制造方法，其特征在于，该掺杂物包含1％至50％原子百分比的氢、氟、氮及硅至少其中之一。

26.根据权利要求25所述的模具的制造方法，其特征在于，该掺杂物包含5％至20％原子百分比的氢、氟、氮及硅至少其中之一。

27.根据权利要求24所述的模具的制造方法，其特征在于，该掺杂物包含各占1％至20％原子百分比的氟和氮。

28.根据权利要求27所述的模具的制造方法，其特征在于，该掺杂物包含各占5％至15％原子百分比的氟和氮。

29.根据权利要求24所述的模具的制造方法，其特征在于，该掺杂物包含各占1％至20％原子百分比的氟、氮和硅。

30.根据权利要求29所述的模具的制造方法，其特征在于，该掺杂物包含各占5％至15％原子百分比的氟、氮和硅。

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