CN102560413A

CN102560413A - 类钻碳膜及其制作方法

Info

Publication number: CN102560413A
Application number: CN2010106001565A
Authority: CN
Inventors: 黄家宏; 林昭宪; 吴政谚; 高于迦
Original assignee: Metal Industries Research and Development Centre
Current assignee: Metal Industries Research and Development Centre
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: CN102560413B; TW201224189A; TWI554633B

Abstract

一种类钻碳膜，包含：一类钻碳附着层设于一基材及一类钻碳强化层设于该类钻碳附着层的表面；其中，该类钻碳附着层的石墨结构所占的比例高于该类钻碳强化层的石墨结构所占的比例。该类钻碳膜的制作方法是包含：将一基板置于一反应腔体中；将一含碳气体通入该反应腔体中，并以一离子源提供该含碳气体701～3000eV的解离能量，使该含碳气体于该基板的表面沉积形成一类钻碳附着层；以该离子源提供该含碳气体100～700eV的解离能量，使该含碳气体于该类钻碳附着层沉积形成一类钻碳强化层。本发明通过高能量离子源提供高解离能量使该含碳气体解离，而形成高附着性及高硬度的类钻碳膜，无须掺杂或中介层等方式便可提升类钻碳膜的附着性。

Description

类钻碳膜及其制作方法

技术领域

本发明是关于一种薄膜及其制作方法，特别是关于一种类钻碳膜及其制作方法。

背景技术

类钻碳(Diamond-Like Carbon)是指以sp²的石墨结构及sp³的钻石立方结构所随机排列混合构成的非晶态碳。

由于类钻碳膜(Diamond-Like Carbon film)具有结构稳定性佳、低导电性、低摩擦系数及质地致密等优点。因此，常被应用于需具有耐磨耗或抗腐蚀特性的零组件的制作上。例如，切削元件或钻头的表面通常将进一步设置该类钻碳膜，以强化整体硬度及耐磨性。

一般类钻碳膜通常是以sp²石墨结构及sp³的钻石立方结构为主要结构。其中，sp³的钻石立方结构的硬度较高，耐磨性较佳。然而，相对的，其也具有较高的内应力，除了结构容易崩坏以外，与工件表面的附着性也不佳。因此，通常若欲于工件上制作类钻碳膜，需另于工艺进行适当调整以提升该类钻碳膜的附着性。例如，可选择将类钻碳膜制作至较薄的厚度方可达到低内应力的效果，然而一般工业上使用的类钻碳膜厚度至少需2μm，因此通常是以于类钻碳膜中添加其他金属元素或另行设置中介层的方式提升附着性。

现有类钻碳膜的制作方法，如中国台湾公告第372249号《利用非平衡磁控溅镀设备在钢材表面蒸镀含铬碳氢类钻膜的方法》专利所述，其主要是通过溅镀方式，于钢材表面依序形成铬层、氮化铬、氮碳化铬及碳化铬等被覆中介层，以降低非晶形含铬碳氢类钻膜的内应力。此法主要是于类钻碳膜中掺杂金属成分作为中介层，以降低该类钻碳膜的内应力。

然而，此法需另准备金属靶材进行掺杂，除了增加整体工艺复杂度以外，该金属靶材的损耗也将增加制作成本。

另一现有类钻碳膜的制作方法，是如中国台湾公告第370571号《连续式成长高附着性类碳膜的方法》专利所述，其主要是通过电浆气相沉积法依序于一基材上沉积一层低应力含硅碳膜作为中介层，进一步于该中介层的表面沉积一层类钻碳膜。如此，便可通过该中介层减少该类钻碳膜与该基材间性质的差异，进而提升该类钻碳膜的附着性。

然而，该中介层的设置将会造成工艺上的复杂度，且通入的气体除单纯的类钻碳膜所需的含碳气体以外，需要另加入含硅气体或者其他气体，不但增加工艺复杂度，也增加了该类钻碳膜的制作成本。

此外，请参照图1所示，其是出自于《Systematic variation of the Ramanspectra of DLC films as a function of sp²：sp³ composition》(S.Prawer等人于1996年提出)论文中。其中，前述两件前案所使用的溅镀及电浆气相沉积法的给予离子的沉积能量(解离能量)较低，其所形成的类钻碳膜仅落于图中沉积能量(解离能量)较低的A区中，代表二件前案所形成的类钻碳膜中所含的sp²结构比例较高，sp³结构比例较低。因此，其所制成的类钻碳膜的硬度仍嫌不足；且由于沉积能量(解离能量)较低，该类钻碳膜与基材的结合性也相对不足。

基于上述原因，其有必要进一步改良上述现有类钻碳膜及其制作方法。

发明内容

本发明目的乃改良上述缺点，以提供一种类钻碳膜，不需掺杂或中介层等方式便可提升类钻碳膜的附着性为目的。

本发明次一目的是提供一种类钻碳膜的制作方法，通过以高能量离子源提供含碳气体高解离能量，而形成高附着性及高硬度的类钻碳膜。

根据本发明的类钻碳膜，是包含：一类钻碳附着层，是设于一基材；及一类钻碳强化层，是设于该类钻碳附着层的表面；其中，该类钻碳附着层的sp²石墨结构所占的比例是高于该类钻碳强化层的sp²石墨结构所占的比例。

根据本发明的类钻碳膜的制作方法，是包含：一前置步骤，将一基板置于一反应腔体中；一类钻碳附着层制作步骤，将一含碳气体通入该反应腔体中，并以一离子源提供能量使该含碳气体解离，并具备701～3000eV的解离能量，使该含碳气体于该基板的表面沉积形成一类钻碳附着层；及一类钻碳强化层制作步骤，以该离子源使该含碳气体解离，并具备100～700eV的解离能量，使该含碳气体进一步于该类钻碳附着层沉积形成一类钻碳膜。

附图说明

图1：sp²比例与解离能量(eV)的相对变化图。

图2：本发明的类钻碳膜的制作方法的流程图。

图3：本发明的类钻碳膜的制作方法所使用的装置示意图。

图4：本发明的类钻碳附着层制作步骤的示意图。

图5：本发明的类钻碳强化层制作步骤的示意图。

图6：现有类钻碳膜的压痕测试结果。

图7：本发明的制作方法所制作的类钻碳膜的压痕测试结果。

【主要元件符号说明】

S1前置步骤 S2类钻碳附着层制作步骤

S3类钻碳强化层制作步骤

1反应腔体

11反应空间 12进气口

13排气口 2离子源产生装置

3基板

4类钻碳附着层 5类钻碳强化层

具体实施方式

为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：

请参照图2所示，本发明的类钻碳膜的制作方法是包含一前置步骤S1、一类钻碳附着层制作步骤S2及一类钻碳强化层制作步骤S3。

请参照图3所示，本发明的类钻碳膜的制作方法是利用如图3所示的离子源(Ion Beam)装置进行。该离子源装置主要是包含一反应腔体1及一设置于该反应腔体1内的离子源产生装置2。该反应腔体1设有一反应空间11、一进气口12及一排气口13。该反应空间11形成于该反应腔体1内，该进气口12及排气口13分别穿设于该反应腔体1的壁面；该进气口12是用以将气体导入该离子源产生装置2中；该排气口13是用以将气体导出该反应腔体1用。该离子源产生装置2是通过一电源供应器提供电源，使该离子源产生装置2形成有一偏压而可产生离子源。

请参照图2所示，本发明的前置步骤S1是将一基板3置于该反应腔体1内。更详言之，此前置步骤S1是先将该基板3置于该反应腔体1的反应空间11内，以供后续于该基板3的表面沉积形成类钻碳膜。该基板3可选择为硅基板、玻璃基板或金属基板等适当材质制成的基板。其中，该基板3较佳是先经过一表面清洁工艺，以去除该基板3表面的杂质。举例而言，本实施例是选择以电浆对该基板3的表面进行清洁。于该基板3置入该反应空间11后，通过一抽气单元连接该排气口13对该反应腔体进行除气抽真空至压力低于3.00×10^-5torr，接着由该进气口12引入氩气(Ar)12～30sccm，使该反应腔体1内的压力维持在4.00×10^-4～1.54×10^-3torr，接着，启动该离子源产生装置2，电压调至0.5KV～3.0KV，便可产生氩气电浆对该基板3的表面进行离子轰击前处理，以清洁该基板3的表面。至此，便完成本发明的前置步骤S1。例如，本实施例的表面清洁工艺的氩气流量是为20sccm，压力维持在8.00×10^-4torr，电压调为1.5KV以产生电浆清洁该基板3。

请参照图2及图4所示，本发明的类钻碳附着层制作步骤S2是将一含碳气体(例如甲烷、乙烷、丙烷或乙炔等气体)通入该反应腔体1中，并以一离子源使该含碳气体解离，并具备701～3000eV的解离能量，使该含碳气体于该基板3的表面沉积形成一类钻碳附着层4。更详言之，为了提升类钻碳膜于该基材3表面的附着力，请参照图1所示，本发明通过使含碳气体解离，并具备701eV～3000eV的解离能量，参照图1中的C区，因而可获得较高能量的碳离子，因此可提升该类钻碳膜相对于该基材3表面的附着性。举例而言，本实施例是将前述的氩气关闭，且选择乙炔作为该含碳气体，乙炔流量控制为21sccm，该反应腔体1的压力维持在5.0×10^-3torr，并使该离子源产生装置2产生2.6KV的偏压(相当于使碳离子具1280eV的能量)。如此，便可通过该离子源产生装置2产生离子源提供能量，使该些含碳气体产生解离，而于该基板3的表面沉积形成厚度为10～1000nm的类钻碳附着层4。借此，该类钻碳附着层制作步骤S2通过该离子源产生装置2解离该含碳气体，使碳离子具备701～3000eV的能量，便可形成sp²结构比例较多的类钻碳附着层4，使该类钻碳附着层4的内应力较低。再且，通过高解离能量所制成的类钻碳附着层4，其与该基板3的表面结合性较强，因此可进一步提升该类钻碳附着层4的附着性。

于此步骤中，并不限于以相同解离能量制作该类钻碳附着层4，仅需于该基板3的表面，以介于701～3000eV之间并逐渐递减解离偏压的解离能量制作该类钻碳附着层4，相同可达到越接近该基板3的类钻碳附着层4的结构附着力越佳的效果，因而可应用于连续式的生产。

例如，此步骤中于该1280eV的解离能量产生沉积形成类钻碳附着膜后，也可进一步再将该离子源产生装置2的偏压调降至2.0KV(相当于950eV的解离能量)，以连续式沉积出另一sp²结构所占比例更低的类钻碳膜(厚度50～1000nm)，如此，便可形成渐层式的类钻碳附着层4，以提升类钻碳膜的附着性。

请参照图2及图5所示，本发明的类钻碳强化层制作步骤S3，是以该离子源使该含碳气体解离，并使碳离子具备100～700eV的解离能量，使该含碳气体进一步于该类钻碳附着层4沉积形成一类钻碳强化层5。更详言之，完成前述的类钻碳附着层4的制作后，仅需对反应条件进行适当调整，便可连续地进行该类钻碳强化层5的制作。举例而言，本实施例是选择将该离子源产生装置2的偏压调降至1.0KV(相当于400eV的解离能量)，并将该含碳气体(乙炔)的流量调整为12sccm，该反应腔体1内的压力维持在6.0×10^-4torr，以继续通过该离子源产生装置2所产生的离子源激发该些含碳气体产生解离，而进一步于该类钻碳附着层4的表面沉积形成厚度介于50～1000nm的类钻碳强化层5。如图1所示，由于此步骤是将给予含碳气体的解离能量调降至100～700eV，因此将落于图1的B区内，形成包含sp³结构比例较多的类钻碳强化层5，借此可提升该类钻碳强化层5的整体结构硬度，作为该基材3的最表层可提供耐磨耗的作用。当然，此步骤与该类钻碳附着层制作步骤S2是可选择以不同的含碳气体作为反应，以制作具备适当性质的薄膜，且此步骤相同也可以介于100～700eV之间，并逐渐递减解离偏压的解离能量制作该类钻碳强化层5，以制作越接近表层硬度越高的类钻碳强化层5。

借此，本发明的类钻碳附着层制作步骤S2及类钻碳强化层制作步骤S3进行时，皆是单纯以含碳气体进行沉积，仅需适当调整该离子源产生装置2供应的解离能量，以适当形成sp²结构比例较高的类钻碳附着层4而提升附着性，以及形成sp³结构比例较高的类钻碳强化层5以提高硬度，而完成兼具有高附着性及高硬度的类钻碳膜的制作。

再且，由于类钻碳附着层制作步骤S2及类钻碳强化层制作步骤S3的进行仅需以递减的解离能量激发含碳气体，因此，可应用于连续式工艺，且无须进行金属或其他元素的掺杂，可有效简化工艺。

如此，通过前述的制作方法便可制成本案的类钻碳膜。请参照图5所示，本发明的类钻碳膜是包含有一类钻碳附着层4及一类钻碳强化层5。

该类钻碳附着层4是如图5所示可设置于一基材3的表面，且该类钻碳附着层4的sp²石墨结构所占比例高于该类钻碳强化层5的sp²石墨结构所占的比例。因此，使得该类钻碳附着层4对于该基材3具有较高的附着性。其中，如图1所示，该类钻碳附着层4的sp²石墨结构所占比例较佳是高于0.3(图1的C区)，以提升该类钻碳附着层4相对于该基材3的附着性。若该类钻碳附着层4的sp²石墨结构所占比例低于0.3，则将会影响到该类钻碳附着层4相对于该基材3的附着性。该类钻碳附着层4的厚度为10～1000nm。

该类钻碳强化层5是如图5所示设置于该类钻碳附着层4的表面，由于该类钻碳强化层5主要是提供该类钻碳膜高硬度。因此，如图1所示，该类钻碳强化层5内的sp²石墨结构所占比例较佳是低于0.3(图1的B区)，以相对提升sp³钻石立方结构于该类钻碳强化层5中的比例，进而提升整体类钻碳膜的硬度。若该类钻碳强化层5内的sp²石墨结构所占比例高于0.3，则将降低该类钻碳强化层5的硬度。该类钻碳强化层5的厚度为50～1000nm。

请参照表一所示，其为本发明的方法利用不同解离能量所制成的类钻碳膜的特性。由结果可明显得知，本发明的解离能量介于100～700eV的类钻碳强化层5的sp³的结构比例较高，因此硬度也较解离能量介于701～3000eV的类钻碳附着层4的硬度来的高，甚至硬度可高达6000Hv以上。而该类钻碳附着层4相较之下则具有高附着性的优点。

表一、本发明所制作的类钻碳膜的特性：

请再参照图6及图7所示，其为本发明的类钻碳膜于金属基材上的压痕测试。图6为一般类钻碳膜直接设置于金属基材上的压痕测试结果，可明显观察到该现有类钻碳膜由于内应力过大，附着力不佳，因此于压痕的周缘皆已产生裂纹。而本发明的制作方法所制作的类钻碳附着层4的压痕测试结果如图7所示，可明显观察得知压痕周缘仍然保持平整，表示本发明所制作的类钻碳附着层4确实具有提升附着性的功效。

如上所述，通过本发明的制作方法中的类钻碳附着层制作步骤S2及类钻碳强化层制作步骤S3以递减的解离能量激发含碳气体产生沉积反应，以形成不同结构组成比例的类钻碳附着层4及类钻碳强化层5。便可通过该类钻碳附着层4提供高附着性，通过该类钻碳强化层5作为表层提供高硬度。因此，无须掺杂或中介层等方式便可提升类钻碳膜的附着性。

本发明通过高能量离子源提供高解离能量使该含碳气体解离，而形成高附着性及高硬度的类钻碳膜。

Claims

1.一种类钻碳膜的制作方法，其特征在于，包含：

一个前置步骤，将基板置于一个反应腔体中；

一个类钻碳附着层制作步骤，将含碳气体通入该反应腔体中，并以离子源使该含碳气体解离，并具备701～3000eV的解离能量，使该含碳气体于该基板的表面沉积形成一个类钻碳附着层；及

一个类钻碳强化层制作步骤，以该离子源使该含碳气体解离，并具备100～700eV的解离能量，使该含碳气体进一步于该类钻碳附着层沉积形成一个类钻碳强化层。

2.根据权利要求1所述的类钻碳膜的制作方法，其特征在于，该类钻碳附着层制作步骤中，该离子源是以逐渐递减解离偏压的方式使该含碳气体解离，并具备701～3000eV的解离能量。

3.根据权利要求1所述的类钻碳膜的制作方法，其特征在于，该类钻碳强化层制作步骤中，该离子源是以逐渐递减解离偏压的方式使该含碳气体解离，并具备100～700eV的解离能量。

4.根据权利要求1所述的类钻碳膜的制作方法，其特征在于，该前置步骤中，另包含一个对该基板进行表面清洁工艺。

5.根据权利要求4所述的类钻碳膜的制作方法，其特征在于，该表面清洁工艺是以电浆对该基板进行离子轰击前处理。

6.一种类钻碳膜，其特征在于，包含：

一个类钻碳附着层，设于一个基材；及

一个类钻碳强化层，设于该类钻碳附着层的表面；

其中，该类钻碳附着层的sp²石墨结构所占的比例高于该类钻碳强化层的sp²石墨结构所占的比例。

7.根据权利要求6所述的类钻碳膜，其特征在于，该类钻碳附着层的sp²石墨结构所占比例高于0.3，该类钻碳强化层的石墨结构所占比例低于0.3。

8.根据权利要求7所述的类钻碳膜，其特征在于，该类钻碳附着层的厚度为10～1000nm。

9.根据权利要求7所述的类钻碳膜，其特征在于，该类钻碳强化层的厚度为50～1000nm。