TWI229139B - Carbon film-coated article and method of producing the same - Google Patents

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1229139 (1) 玖、發明說明 【前後參照之相關申請案】 本申請案係基於2002年7月10日在日本提出之日本專 利申請案第2 002-2 0 1 3 39號，其全部內容係據此以引用的 方式倂入本文中。 【發明所屬之技術領域】 本發明有關碳膜塗敷物件，其能用作引擎（例如內燃 機包含汽油引擎、柴油機等）之零件、諸如切割工具之切 割物件、切割工具之零件等，及其製造方法。 【先前技術】 一碳膜、諸如類鑽碳（Diamond-Like Carbon，下文簡 稱D L C )薄膜具有一高硬度、一高耐磨性及一低摩擦係數 。人們曾提議藉著利用碳膜之此特性增加引擎零件、切割 物件及類似滑動物件之耐磨性及降低磨擦係數。該滑動物 件之耐磨性及磨擦係數能藉著以該D L C薄膜或像似碳膜 塗敷該滑動物件而改善。 然而，該DLC薄膜及像似碳膜對由鋼等製之滑動物 件基板之黏附力係低的，且因此可輕易地由該基板分開。 爲了改善該DLC薄膜及像似碳膜對該基板之黏附力，其 已提議在該碳膜及該基板之間形成一中介層。然而，此提 議無法建立一充分之黏附力。 (2) 1229139 【發明內容】 本發明之一目的係提供一種碳膜塗敷物件，亦即一種 在其基板形成有碳膜之物件，該碳膜對該物件之基板具有 一高黏附力，及其製造方法。 爲達成前述之目的，本發明提供以下之碳膜塗敷物件 及以下之製造方法。 (1) 碳膜塗敷物件 一種碳膜塗敷物件包含一基板；一混合層，其形成在 該基板之至少一部份上，該混合層係由構成該基板之元素 及鎢所組成；一鎢膜，其形成在該混合層上；及一碳膜， 其形成在該鎢膜上。 (2) 製造碳膜塗敷物件之方法 一種製造碳膜塗敷物件之方法，該物件包含一基板； 一混合層，其形成在該基板之至少一部份上，該混合層係 由構成該基板之元素及鎢所組成；一鎢膜，其形成在該混 合層上；及一碳膜，其形成在該鎢膜上，該方法包括以下 步驟： 在該基板之至少一部份上形成該混合層，該混合層係 由構成該基板之元素及鎢所組成； 在該混合層上形成該鎢膜；及 在該鎢膜上形成該碳膜； 其中該混合層、該鎢膜及該碳膜之至少一種係於真空 -6- (3) 1229139 電弧澱積裝置中使用一由電弧放電法所蒸發之陰極材料所 形成’該澱積裝置具有一包含該陰極之真空電弧蒸發源。 本發明之前面及其他目的、特色、論點及優點將由以 下之詳細敘述及所附圖面變更明顯。 【實施方式】 (1)碳膜塗敷物件 如同本發明之一較佳具體實施例，一碳膜塗敷物件以 下列順序具有一混合層、一鎢膜、及一形成在該基板上之 碳膜。更特別地是，一混合層、一鎢膜及一碳膜係形成在 該物件基板之至少一.部份上方。 需要高機械強度之基板可由一包含鐵當作主要成份之 材料製成，諸如碳鋼、特殊鋼或像似鋼鐵。該基板可選擇 性地由陶瓷、硬質合金（硬金屬）等製成。 該混合層係形成在該基板上及包含一構成該基板之元 素（構成該基板之材料）及鎢（W)及可包含其它元素。 該鎢膜係形成於該混合層及該碳膜之間。該鎢膜包含 當作該主要成份之鎢（W)及可包含混雜質（次要成份）。 該碳膜係形成在該鎢膜上。該碳膜包含當作該主要成 份之碳（C)及可包含混雜質，該混雜質包含碳氮化物、砂 等。該碳膜可爲譬如一 DLC(類鑽碳）薄膜。 如在稍後敘述之實驗結果所示，該碳膜對該鎢膜之黏 附力係高於該碳膜對一鉬膜或一鉻膜之黏附力。 既然包含構成該基板之元素及該鎢之混合層係形成於 (4) 1229139 該基板及該鎢膜之間，該鎢膜對該基板之黏附力係高的。 藉此於該碳膜塗敷物件中，該碳膜對該基板之黏附力係高 的。 該碳膜（尤其是DLC薄膜）最好具有一高硬度及一低磨 擦係數，以致該碳膜塗敷物件能最佳用作需要至少具有一 耐磨性及低摩擦特性之構件。譬如，該碳膜塗敷物件（碳 膜塗敷構件）能用作滑動構件（滑動零件）。 更特別地是，該碳膜塗敷物件可用作引擎零件，諸如 凸輪、夾鐵、起閥器、柱塞、活塞環等及其它機械零件、 切割物件、·諸如鑽頭、端銑刀、銑刀、切割工具等、模子 等。於此碳膜塗敷物件中之碳膜對該基板具有如上述之高 黏附力，以致該物件能穩定地長期保有該低摩擦特性及其 它特性。 由於該碳膜塗敷物件之使用壽命，該碳膜可具有例如 5 00奈米（nm)或更多之厚度。當該碳膜係太厚時，剝離或 裂縫係極可能發生。如此，該碳膜之厚度可爲例如1 0微米 或更少。該應力可藉著金屬等之加入所減輕。 太厚或太薄之鎢膜允許其對該碳膜黏附力之減少，如 稍後所述實驗結果所示。該鎢膜厚度之上限較好係1 70奈 米或更少，更好係1 5 0奈米或更少，最好係1 0 0奈米或更少 。該鎢膜厚度之下限較好係5奈米或更多，更好係1 0奈米 或更多。 太厚或太薄之混合層導致該碳膜對該基板之較低黏附 力，如稍後所述實驗結果所示.。該混合層厚度之上限較好 -8- (5) 1229139 係2 〇 0奈米或更少，更好係1 Ο 0奈米或更少，尤其更好係5 Ο 奈米或更少，最好係1 〇奈米或更少。該混合層厚度之下限 較好係1奈米或更多’更好係2奈米或更多。 (2)製造一碳膜塗敷物件之方法 如同本發明之一較佳具體實施例，製造一碳膜塗敷物 件之方法包含下列步驟： 在一物件之基板上形成一混合層，該混合層包含構成 該基板之元素及鎢； 在該混合層上形成一鎢膜；及 在該鎢膜上形成一碳膜。 該混合層、該鎢膜及該碳膜之至少一種係藉著一 電弧澱積裝置（電弧型離子電鍍裝置）所形成。該真空電弧 澱積裝置具有至少一包含該陰極之真空電弧蒸發源。於該 真空電弧澱積裝置中，可使用一由電弧放電法所蒸發之陰 極材料（構成根據欲形成之層或薄膜所選擇之陰極之物質） 形成一層或一薄膜，更特別地是藉著該陰極附近所產生之 電漿電離一已蒸發之陰極材料所形成。該混合層、該鎢瞋 及該碳膜之任何一種可藉著該真空電弧澱積裝置所形成。 當使用該真空電弧澱積裝置時，該已電離陰極材料$ 藉著一施加至該基板之偏壓被吸引至該基板及可造成與該 基板衝撞。於形成該混合層、該鎢膜及該碳膜之任何〜_ 時可進行此偏壓之施加。 可藉著使用鎢當作一陰極材料（換言之使用一主要包 -9 - (6) 1229139 含鎢之陰極）使該基板於該真空電弧澱積裝置中遭受一高 速粒子撞擊製程（涉及一高速粒子撞擊製程之真空電弧澱 積操作）形成該混合層。更特別地是，當施加一相當高之 偏壓至該基板時，當作該陰極材料之鎢係已藉著一電漿電 離，以致該已電離之鎢係被驅動進入該基板（亦即該基板 係遭受一高速粒子撞擊製程），藉此形成包含一構成該基 板之元素及鎢之混合層。 於此案例中，推測該基板之表面特性可藉著該高速粒 子撞擊製程改善，導致該混合層之形成。當該混合層係藉 著該高速粒子撞擊製程所形成時，該基板之表面係遭受濺 射淸洗及加熱該基板，藉以使欲稍後形成之鎢膜增加其對 該混合層之黏附力。 該鎢膜可於該真空電弧澱積裝置中藉著使用鎢當作一 陰極材料（換言之使用一主要包含鎢之陰極）之真空電弧澱 積方法所形成。譬如當用作該陰極材料之鎢係變成電漿及 係已電離時，同時施加一相當低之偏壓至該基板，該已電 離之鎢係澱積在該基板上（該基板上之混合層）以形成該鎢 膜。其例如係選擇性地施加一偏壓至該基板，此偏壓之絕 對値（包括0伏特）係低於當藉著該高速粒子撞擊製程所形 成混合層時之偏壓。 該碳膜可於該真空電弧澱積裝置中藉著使用碳當作一 陰極材料（換言之使用一主要包含碳之陰極）之真空電弧澱 積方法所形成。譬如當用作該陰極材料之碳係變成電漿及 係已電離時，同時施加一偏壓至該基板，該已電離之碳係 -10- (7) 1229139 澱積在該基板上（該基板上之鎢膜）以形成該碳膜。 該混合層、該鎢膜及該碳膜之任何一種可用異於使甩 前面之真空電弧澱積裝置之其他方法所形成。該碳膜可譬 如藉著一電漿化學蒸氣澱積（C V D )法、濺射法、雷射澱積 法等所形成。然而，該混合層、該鎢膜及該碳膜之任何一 種可藉著該方法使用該真空電弧澱積裝置在一相當高澱積 速率下形成。這是因爲該電漿中陰極材料之離子密度可由 於陰極材料藉著電弧放電法之蒸發而相對地增加。當使用 該真空電弧澱積裝置時，該混合層、該鎢膜及該碳膜能以 一相當複雜之形狀（例如於一立方形狀中之基板）正確地形 成在該物件之基板上，及甚至在一大面積上方之澱積係輕 易可實行的。 再者，由該真空電弧澱積方法所形成之碳膜比當藉著 一電漿CVD法、濺射法或雷射澱積法所形成時具有更高 硬度及較低之氫含量。當該碳膜係藉著該真空電弧澱積法 所形成時，其可能同時施加一脈衝型偏壓至對該基板。藉 此可降低如此形成碳膜中之內應力及可形成具有一高度平 滑表面之碳膜。 於製造一碳膜塗敷物件之前面方法中，該混合層、該 鎢膜及該碳膜之至少一種係形成在該真空電弧澱積裝置中 。譬如，所有該混合層、該鎢膜及該碳膜可形成在相同之 真空電弧澱積裝置中。當該混合層、該鎢膜及該碳膜係形 成在相同之真空電弧澱積裝置時，能夠在一比當他們之一 或二係形成於其它裝置時較短之時間中施行該基板之運送 -11 - (8) 1229139 、由一製程室移除氣體、該基板之加熱。 這意指該混合層、該鎢膜及該碳膜可如此有效率地形 成及一碳膜塗敷物件可如此有效率地製造。於此案例中， 於該混合層及該鎢膜間之一介面及於該鎢膜及該碳膜間之 一介面係不可能接觸到混雜質，且可建立適當之介面。 一般用於形成該混合層、該鎢膜及該碳膜之真空電弧 澱積裝置具有至少二真空電弧蒸發源，例如包含一鎢陰極 (包含當作該主要成份之鎢之陰極）之第一真空電弧蒸發源 及包含一碳陰極（包含當作該主要成份之碳之陰極）之第二 真空電弧蒸發源。 當該混合層、該鎢膜及該碳膜係藉著僅只具有一包含 陰極之真空電弧蒸發源之真空電弧澱積裝置所形成時，在 形成該混合層及該鎢膜之後需要將一鎢陰極替換成一碳陰 極。當採用具有該第一及第二真空電弧蒸發源之真空電弧 澱積裝置時，可節省用於替換陰極之時期，且藉此可更有 效率地製造一碳膜塗敷物件。 可使用具有二或更多真空電弧蒸發源之真空電弧澱積 裝置，每一蒸發源包含鎢陰極，以便於形成該混合層及/ 或該鎢膜中增加該澱積速率。同理，可使用具有二或更多 真空電弧蒸發源之真空電弧澱積裝置，每一蒸發源包含碳 陰極，以便於形成該碳膜中增加該澱積速率。 用於形成該混合層、該鎢膜及該碳膜之至少一種之真 空電弧澱積裝置可爲一磁性過濾器型，其具有用於至少一 真空電弧蒸發源之磁性過濾器，以防止具有數微米至數十 -12- (9) 1229139 微米直徑之陰極材料微粒附著至該基板。 特別是當形成該碳膜時，其較佳的是使用此磁性過濾 器型之真空電弧澱積裝置。其理由如下。當該陰極係於形 成該碳膜中使用一種具有一包含碳陰極之真空電弧蒸發源 之真空電弧澱積裝置而設置成相向於該基板時，該碳微粒 輕易地黏著至該基板之表面（該基板上之鎢膜）。 (3)碳膜塗敷物件之範例及其製造方法之敘述 將參考各圖面敘述碳膜塗敷物件之一範例及其製造方 法。圖1係一局部剖視圖，其圖示地顯示該碳膜塗敷物件 之一範例。 圖1所示碳膜塗敷物件1具有該物件之一基板1 1。一 混合層1 2、一鎢膜1 3及一碳膜1 4係以此形成順序由該基板 側疊置在該基板1 1之至少一部份上。 於此範例中，該基板1 1係由鉻鉬鋼所製成。該混合層 1 2包含一構成該基板之元素及鎢（W)。於此範例中，該混 合層包含鐵（Fe)、鉻（Cr)、鉬（Mo)及鎢。於此範例中，該 混合層1 2具有5奈米之厚度。於此範例中，該鎢膜1 3主要 地係由鎢所組成及具有5 0奈米之厚度。於此範例中，該碳 膜14係一具有500奈米厚度之DLC薄膜。 該碳膜塗敷物件1於低摩擦特性及耐磨性中係優異的 ，因爲其覆蓋著該高硬質DLC薄膜（碳膜）14。該DLC薄 膜1 4及該鎢膜1 3間之黏附力、該鎢膜1 3及該混合層1 2間之 黏附力、及該混合層1 2及該基板1 1間之黏附力係皆良好， -13- (10) 1229139 以致該D L C薄膜1 4對該基板1 1之黏附力係良好。以此特 色，該碳膜塗敷物件1可長期穩定地維持該低摩擦特性及 耐磨性。 於此範例中，該DLC薄膜1 4係藉著一真空電弧澱積 法使用一真空電弧澱積裝置所形成，以致其比當藉著一電 漿C VD法、濺射法、雷射澱積法或其它方法所形成時具 有一更少之氫含量。藉此該DLC薄膜14甚至在高溫環境 之下能穩定地呈現該低摩擦特性及其它特性。 於具有一低摩擦特性及一高耐磨性之碳膜塗敷物件1 中，該基板1 1可爲用作引擎零件，諸如凸輪、夾鐵、起閥 器、柱塞、活塞環等及其它機械、切割物件、諸如鑽頭、 端銳刀、銑刀、切割工具、或其零件等基板之一。具有此 基板1 1之物件1可最好用作引擎零件及類似機械零件、切 割物件等，它們需要一低摩擦特性及一耐磨性。 將敘述該碳膜塗敷物件1之製造方法。於此範例中， 所有該混合層1 2、鎢膜1 3及D L C薄膜1 4係使用一具有真 空電弧蒸發源之真空電弧殿積裝置所形成。更特別地是， 所有他們係使用相同之真空電弧澱積裝置所形成。 圖2係一槪要圖，其顯示欲用於形成該混合層1 2、鎢 膜1 3及DLC薄膜14之真空電弧澱積裝置範例之結構。 圖2之真空電弧澱積裝置AP 1係磁性過濾器型及設有 一真空室2〇、一磁性過濾器5及二真空電弧蒸發源3，4 〇 於該室2 0中，夾具2 1係設置成用於抓住該基板丨]，用 -14- (11) 1229139 於形成該D L C薄膜1 4等。一負電壓可由一偏壓電源2 2經 由支撐該基板1 1之夾具2 1施加至該基板1 1。該室2 〇係接地 〇 一抽空器23係連接至該室20。該氣體係藉著該抽空器 23由該室20移去，藉以使該室20中之氣壓可調整至〜指定 範圍。一供氣單元24係連接至該室20。一指定之氣體可藉 著該供氣單元24導入該室20。 該真空電弧蒸發源3具有一陰極3 1、一電弧電源3 2、 一屏板3 3及一觸發電極3 4。該陰極3 1係置於該室2 0中，係 相向於該夾具2 1及係由鎢所組成。該屏板3 3係呈環狀及係 設置成可圍繞著該陰極3 1。一空間係形成於該屏板3 3及該 陰極3 1之間，它們係彼此電絕緣。該屏板3 3係經由一電阻 器3 5電連接至該室2 0。 該觸發電極34能夠藉著一驅動裝置（未示出）在該圖面 之左右方向中由其頂部接觸該陰極3 1之位置移動至其頂部 未與該陰極3 1接觸之位置。 當該觸發電極3 4係與該陰極3 1形成接觸及未與該陰極 3 1接觸時，同時由該電弧電源3 2施加一負電壓至該陰極3 1 ，電火花係於該觸發電極3 4及該陰極3 1之間放射。藉著該 火花觸發電弧放電。 當作一陰極材料之鎢係藉著該電弧放電所加熱、熔化 及蒸發。電漿係藉著該電弧放電於該陰極3 i之前面（該圖 面中陰極31之右邊）產生，藉以局部電離該蒸發鎢。換言 之’於該真空電弧蒸發源3中，能夠在該陰極3 1之前面藉 -15- (12) 1229139 著電弧放電產生包含鎢離子之電漿。 提供一磁性過濾、器5以防止用於該真空電弧蒸發源4 之陰極材料微粒黏著至由該夾具2 1所支撐之基板1 1。該磁 性過濾器5具有一彎曲之運送管5 1、一捲繞在該運送管5 1 上之磁性線圈5 2、及一用於激勵該磁性線圈5 2之電源5 3。 該運送管5 1係連接至該室2 0。於此範例中，該運送管5 1係 在一 90度角彎曲。該運送管5 1中之一開口係相向於設置在 該室20中之夾具21，而另一開口係以一端板54關上。 一直流電壓係由該電源5 3施加至該磁性線圈5 2，藉以 可在該運送管5 1內實質上沿著該運送管5 1內壁產生一磁場 。在圖2中5 5所示者係以此方式所形成磁場中之磁力線。 該真空電弧蒸發源4具有一陰極41、一陰極夾具42、 及一電弧電源4 3。該陰極4 1係由碳所組成及在該運送管5 1 之一端點經由一絕緣材料所形成之夾具42固定至該端板54 。由設置在該運送管5 1端點之陰極4 1之位置不能看見該室 20中之夾具21(藉著該夾具21所固定之基板11)，因爲藉著 在一 90度角彎曲之運送管51內壁而中斷。換言之，該運送 管5 1內壁存在於一連接該陰極4 1與該夾具2 1之直線上。 於此範例中，該端板54亦具有一陽極之作用。當一電 弧放電電壓係由該電弧電源43施加於他們之間時，於該端 板54(陽極）及該陰極41之間造成電弧放電。該蒸發源4具 有一用於電弧放電之點火之觸發電極44，如於前述之蒸發 源3中。 該觸發電極44係經由一電阻器45連接至該端板54。該 -16- (13) 1229139 觸發電極44能夠藉著一驅動裝置（未示出）在該圖面之左右 方向中由其頂部接觸該陰極4丨之位置移動至其頂部未與該 陰極4 1接觸之位置。 當該觸發電極4 4係與該陰極4 1形成接觸及未與該陰極 4 1接觸時，同時由該電弧電源43施加一負電壓至該陰極4 1 ’電火花係於該觸發電極4 4及該陰極4 1之間放射。藉著該 火化觸發電弧放電。當作一陰極材料之碳係藉著該電弧放 電所加熱、熔化及蒸發。 電漿係藉著該電弧放電於該陰極41之前面（該圖面中 陰極4 1之右邊）產生，藉以局部電離該蒸發碳。換言之， 於該真空電弧蒸發源4中，能夠在該陰極4 1之前面（該圖 面中陰極41之右邊）藉著電弧放電產生包含碳離子之電漿 〇 於如上面所述之真空電弧澱積裝置API中，當藉著該 夾具2 1固定該基板時，該混合層1 2、鎢膜1 3及D L C薄膜（ 碳膜）1 4能夠以下列方式形成在該基板1 1上。於該混合層 及這些薄膜之形成中，固定該基板11之夾具21可藉著一驅 動裝置（未示出）旋轉，以形成一均勻之混合層及均勻之薄 膜。 於一薄膜之澱積中，氣體、例如包含反應氣體（諸如 氮氣及氧氣體）之空氣係藉著該抽空器23由該室20移去， 以使得該內側變成例如1〇·4陶爾（大約1〇·2巴）或更少之一 減壓狀態。 此後諸如氬氣之一無活性氣體係藉著該供氣單元24導 -17- (14) 1229139 入該室20，以使得該內側變成例如1x1 (Γ3陶爾（大約lxl Ο·1 巴）至8xl(T3陶爾（大約8Χ10·1巴）之狀態，以致在該蒸發源 3及4中容易保有電弧放電。 當形成該混合層1 2時，該操作採用具有鎢所構成之陰 極31之蒸發源3 ，而非該蒸發源4。藉著該蒸發源3，可 如上面所述在該陰極3 1之前面產生包含鎢離子之電漿，亦 即於該陰極及固定該基板1 1之夾具2 1之間。於此操作中， 一相當高之負直流電壓（例如大約DC-4 0 0V至DC-2 0 0 0V) 係經由該夾具2 1由該偏壓電源2 2施加至對該基板1 1。 該鎢離子係藉著施加至該基板1 1之偏壓被吸引至該基 板1 1及造成與該基板1 1衝撞，藉以使該離子被猛推入該基 板1 1。亦即該基板1 1係藉著該鎢離子遭受一高速粒子撞擊 製程，藉以使包含該猛推入鎢之一層係形成爲該基板1 1上 之一表面層，亦即形成包含基板構成元素及鎢之混合層1 2 〇 此後該鎢膜1 3係形成在該混合層1 2上，同時維持該室 20中之壓力。當形成該鎢膜13時，該操作採用具有鎢所構 成之陰極3 1之蒸發源3 ，而非該蒸發源4。當形成該鎢膜 13時，藉著該蒸發源3產生包含鎢離子之電漿，且一負電 壓係由該偏壓電源2 2施加至該基板1 1。 當形成該鎢膜1 3時，一負直流電壓（例如大約 D C -2 〇〇 V)係施加至該基板，此電壓之絕對値係低於當形成該 混合層1 2時（當進行該高速粒子撞擊製程時）之電壓。藉此 該鎢離子係被吸引至該基板1 1及係造成與該基板1 1衝撞， -18- (15) 1229139 以致該鎢膜1 3係形成在該混合層1 2上。 既然欲施加至該基板1 1之偏壓係如此低，以致該鎢離 子猛推（高速粒子撞擊）進入該基板1 1之作用係微小的，且 鎢變成累積在該混合層1 2上，並在該混合層1 2上形成該鎢 膜13。 隨後，該DLC薄膜（碳膜）14係形成在該鎢膜13上，同 時保持該室20中之壓力。當形成該DLC薄膜14時，該操 作採用具有碳所構成之陰極4 1之蒸發源4 ，而非該蒸發源 3。藉著該蒸發源4 ，如上面所述在該陰極41之前面產生 包含碳離子之電漿。該電漿係藉著由該磁性線圈5 2所產生 之磁場沿著該運送管51運送，及係引導朝向藉著該室20中 之夾具2 1所支撐之基板1 1。 於此操作中，一負偏壓已由該偏壓電源22施加至該基 板1 1。於此範例中，一脈衝型負偏壓係施加至該基板1 1。 譬如，約-1千伏特至約-1 〇千伏特之脈衝電壓係在5千赫 茲之頻率及在大約百分之2至大約百分之1 〇之負荷比下施 加至該基板1 1。該電漿中之碳離子係藉著施加至該基板1 1 之偏壓被吸引至對該基板1 1 ’藉以使該DLC薄膜（碳膜）1 4 形成在該鎢膜1 3上。 如下移去該蒸發源4中包含碳離子之電漿產生所製造 陰極構成物質之微粒（小滴），以藉著該磁性過濾器5防止 該微粒抵達該室2 0。沒有電荷之微粒於最初所採取之方向 中造成一實質上直線之前進，並由該陰極4 1開始’因爲該 微粒不會由於該磁性線圈5 2所產生之磁場而彎曲。 -19- (16) 1229139 大部份微粒係造成與該彎曲運送管5 1之內壁衝撞，因 此未能抵達該室2 0之內側。縱使該微粒開始在一方向中移 動，並抵達該室2 0之內側，該基板1 1將不會存在於該開始 方向中之一直線上，使得該微粒不可能黏著至該基板1 1。 當一混合層1 2、鎢膜1 3及D L C薄膜1 4係藉著前述方 法所形成時，獲得以下之優點。 比當藉著一電漿CVD法、濺射法或雷射澱積法所形 成時，該混合層12、鎢膜13及DLC薄膜14可藉著使用該 電弧放電所蒸發之陰極材料在一相對較局之殿積速率下形 成，導致較高之生產能力。根據該真空電弧澱積裝置AP 1 ，該混合層1 2、鎢膜1 3及D L C薄膜1 4可形成在該基板1 1 上，縱使該基板係於一相當複雜之形狀（例如於一立方形 狀中之基板）。此外，甚至在一大面積上方之澱積係相當 輕易可實行的。 藉著使該基板遭受一高速粒子撞擊製程形成該混合層 1 2，以致增加該混合層1 2對該基板1 1之黏附力。既然該基 板1 1係遭受一高速粒子撞擊製程，該基板1 1可藉著濺射所 淸潔及可加熱，藉以增加該鎢層13(稍後形成）對該混合層 1 2之黏附力。 當藉著如上面所述之真空電弧澱積法形成該DLC薄 膜（碳膜）14時，該DLC薄膜14比當由一電漿CVD法、濺 射法及雷射澱積法所形成時具有一較高硬度及一更少之氫 含量。因爲較少氫含量，該DLC薄膜14甚至在一高溫環 境之下能穩定地呈現一低摩擦特性。 -20- (17) 1229139 既然該D L C薄膜1 4係已形成，同時施加該脈衝型偏 壓至該基板1 1，該D L C薄膜1 4中之內應力可降低，及該 DLC薄膜14能具有一高度平滑之表面。 所有該混合層1 2、鎢膜1 3及D L C薄膜1 4係使用相同 之真空電弧澱積裝置A P 1所形成。因此，可於比當他們之 一或二係形成於其它裝置時較短之時間施行該基板1 1之運 送、退出等。這意指該混合層、鎢膜及碳膜可如此有效率 地形成，導致增加之生產能力。 該真空電弧澱積裝置API具有用於形成該混合層12及 該鎢膜1 3之蒸發源3及用於形成該D L C薄膜1 4之蒸發源 4 ，亦即二蒸發源，以致該混合層1 2、鎢膜1 3及DLC薄 膜1 4可連續地形成，而不須替換每一蒸發源中之陰極。藉 此可有效率地形成該混合層1 2、鎢膜1 3及DLC薄膜1 4 ’ 而具有高生產能力。 既然該磁性過濾器5係提供用於形成該DLC薄膜1 4 之蒸發源4 ，可防止構成該陰極4 1之物質微粒黏著至該基 板1 1 (鎢膜1 3 )，藉以可抑止該DLC薄膜1 4免於降低該 D L C薄膜1 4之表面平滑性。可進一步抑止該D L C薄膜1 4 免於由該DLC薄膜14之一部份開始至已經附著該微粒處 之剝離及龜裂。於此範例中，該磁性過濾器5係僅只提供 用於具有該碳陰極之蒸發源4 ’其中微粒係極可能發展’ 但亦可提供用於該蒸發源3 ° (4)在碳膜底層之材料及厚度上之貫驗 -21 - (18) 1229139 製造該碳膜塗敷物件之測試片，以使用具有該碳膜之 一底層作用之各種厚度鎢膜硏究該碳膜對該基板之黏附力 〇 該碳膜塗敷物件之測試片係製造如下。一混合層、鎢 膜及碳膜（DLC薄膜）係藉著上述方法使用圖2所示真空電 弧澱積型裝置所形成。該基板係由鉻鉬鋼S C M4 1 5所製成 。在空氣已由該室2 0抽空以獲得1 X i 〇·5陶爾（大約1 X 1 〇 _3巴 )壓力之後，每一層及薄膜係在藉著將每分鐘100立方公分 之氬氣導入該室以獲得5χ10_3陶爾（大約5x10」巴）之壓力 所準備之一氣壓條件下形成在該室中。 藉著以在1〇〇 Α( 100安培）之電弧電流供給該蒸發源中 之鎢陰極，及施加DC(- 1 000伏特）之偏壓至該基板以使該 基板遭受一高速粒子撞擊製程形成一混合層。根據該真空 電弧澱積法，藉著以在80A (80安培）之電弧電流供給該蒸 發源中之鎢陰極，及施加DC(-200伏特）之偏壓至該基板 形成一鎢膜。根據該真空電弧澱積法，藉著以在8 〇 A之電 弧電流供給該蒸發源中之碳陰極，及施加- 5千伏特之脈 衝型偏壓至該基板形成一 DLC薄膜。該脈衝電壓係在1 〇 千赫茲之頻率、及百分之5之負荷比下施加至該基板。 製造五塊該碳膜塗敷物件之測試片。該測試片係彼此 不同，其中該鎢膜厚度分別係5奈米、1 〇奈米、5 0奈米' 1 〇 〇奈米及2 0 0奈米。於這些測試片之任一片中’該混合層 具有10奈米之厚度及該DLC薄膜具有500奈米之厚度。該 混合層之厚度係1 〇奈米，在此於稍後所述實驗中可達成良 -22 - (19) 1229139 $子糸吉:¾ ° 製造該碳膜塗敷物件之以下三種比較用測試片，以硏 究在碳fe (D L C薄膜）對該基板之黏附力。所有這些比較測 試片具有相同之材料（SCM41 5鋼）基板，如用於具有該鎢 膜之測試片之基板。 於該第一型比較測試片中，使用一鉬膜代替該鎢膜當 作該DLC薄膜之底層，且一混合層係對應於該底層（鉬膜） 。亦即該第一型比較測試片具有一鉬（Μ 〇)膜及一於該 D L C溥膜及§亥基板之間包含鉬及基板構成元素之混合層。 該第一型比較測試片係以與製造具有該鎢膜之測試片 所做相同之方式製成，除了該鉬係用作該蒸發源中之一陰 極材料而用於形成該鉬膜及該混合層外。 更特別地是，藉著使該基板在與於具有該鎢膜之測試 片中形成該混合層之相同澱積條件下遭受一高速粒子撞擊 製程，以形成該第一型比較測試片之每一片中之混合層。 藉著在與於具有該鎢膜之測試片中形成該鎢膜之相同澱積 條件下之真空電弧澱積法，以形成該第一型比較測試片之 每一片中之鉬膜。藉著在與於具有該鎢膜之測試片中形成 該DLC薄膜之相同澱積條件下之真空電弧澱積法，以形 成該第一型比較測試片之每一片中之DLC薄膜。 以鉬膜厚度分別係5奈米、1 〇奈米、5 0奈米及1 〇 〇奈 米之方式形成四塊第一型比較測試片。於該第一型比較測 試片之每一片中，該混合層具有10奈米之厚度，及該DLC 薄膜具有500奈米之厚度。 -23- (20) 1229139 於該第二型比較測試片中，使用一鉻（Cr)膜代替該鎢 膜當作該DLC薄膜之底層，且一混合層係對應於該底層（ 鉻膜）。亦即該第二型比較測試片具有一鉻膜及一於該 D LC薄膜及該基板之間包含鉻及基板構成元素之混合層。 該第二型比較測試片係以與製造具有該鎢膜之測試片 所做相同之方式製成，除了該鉻係用作該蒸發源中之一陰 極材料而用於形成該鉻膜及該混合層外。更特別地是，藉 著使該基板在與於具有該鎢膜之測試片中形成該混合層之 相同澱積條件下遭受一高速粒子撞擊製程，以形成該第二 型比較測試片之每一片中之混合層。 藉著在與於具有該鎢膜之測試片中形成該鎢膜之相同 澱積條件下之真空電弧澱積法，以形成該第二型比較測試 片之每一片中之鉻膜。 藉著在與於具有該鎢膜之測試片中形成該DLC薄膜 之相同澱積條件下之真空電弧澱積法，以形成該第二型比 較測試片之每一片中之DLC薄膜。 以鉻膜厚度分別係5奈米、10奈米、50奈米、100奈 米及2 0 0奈米之方式製成五塊第二型比較測試片。於該第 二型比較測試片之每一片中，該混合層具有1 〇奈米之厚度 ，及該DLC薄膜具有500奈米之厚度。 於該第三型比較測試件中，一 DLC薄膜係直接形成 在該基板上。該第三型比較測試件中之DLC薄膜係藉著 在與具有該鎢膜之測試片中形成該DLC薄膜之相同澱積 條件下之真空電弧澱積法所形成。該第三型比較測試件中 -24- (21) 1229139 之DLC薄膜具有500奈米之厚度。 於每一測試片中，該D L C薄膜對該基板之黏附力係 藉著一絡氏（R 〇 c k w e 11)硬度測試機評估如下。錯者用於— c形刻度駱氏硬度測試中之壓頭（錐形鑽石壓頭）在15 〇公 斤之負載下壓下該基板上方之DLC薄膜’藉此以環繞錯 著該下壓操作所形成壓痕之剝離DLC薄膜面積之觀點評 估該D L C薄膜對該基板之黏附力。其結果顯示該剝離薄 膜面積越小，則該DLC薄膜對該基板之黏附力越高。 這些結果係顯示於圖3。由圖3變得明顯的是當一鎢 膜及一包含鎢之混合層係形成在該DLC薄膜及該基板之 間時，該D L C薄膜對該基板之黏附力係高於當該〇 L C薄 膜直接形成在該基板上時。其亦明顯的是當該DLC薄膜 之底層具有相同厚度時’一形成爲該底層之鎢膜比當一鉬 膜或一鉻膜係用作該底層時達成該D L c薄膜對該基板之 一較高黏附力。 其進一步看出當太厚或太薄時，一鎢膜降低該 DLC 薄膜對該基板之黏附力。該鎢膜之厚度較好係大約5奈米 或更大，更好係大約1 〇奈米或更大。該鎢膜之厚度較好係 大約170奈米或更少，更好係大約150奈米或更少，最好係 大約1 〇 〇奈米或更少。 (5)在混合層厚度上之實驗 製造該碳膜塗敷物件之測試片以使用各種混合層厚度 硏究該碳膜（DLC薄膜）對該基板之黏附力。 -25- (22) 1229139 製造六塊碳膜塗敷物件之測試片。這些測試片係彼此 不同，其中鎢及構成該基板之元素所形成之混合層分別具 有2奈米、5奈米、10奈米、50奈米、100奈米及200奈米 之厚度。於這些測試片中，該混合層、鎢膜及DLC薄膜 係由相同方法及在如上面所述相同之條件下所形成。任一 測試片中之基板係由鉻鉬鋼SCM4 15所製成。於該測試片 之任一片中，該鎢膜具有50奈米之厚度，及該DLC薄膜 具有5 00奈米之厚度。當該鎢膜具有50奈米厚度時，該 DLC薄膜對該基板呈現一優異之黏附力，如由圖3明顯看 出者。 爲了比較故，製造一沒有混合層之測試件，亦即具有 一鎢膜及一 D L C薄膜，並以此順序形成在該基板上，以 硏究該DLC薄膜對該基板之黏附力。於該比較測試件中 ，該鎢膜及DLC薄膜係由相同方法及在如上面所述相同 之條件下所形成。於該比較測試件中，該鎢膜具有5 0奈米 之厚度，及該DLC薄膜具有500奈米之厚度。 於該測試片之每一片中，以如上面所述相同之方式用 壓頭（錐形鑽石壓頭）形成該壓痕所環繞之剝離DLC薄膜面 積之觀點評估該D L C薄膜對該基板之黏附力。於沒有一 混合層之比較測試件中，該DLC薄膜變得剝離，反之於 具有該混合層之測試件中，沒有任何DLC層變得剝離， 不管該混合層之厚度爲何。 如上面所述，當由前面之評估方法所測量時，未發現 由於混合層之厚度而在該DLC薄膜對該基板之黏附力中 -26- (23) 1229139 之差別。於迫些測試片中，D L C薄膜之黏附力係如下文所 述進一步評估’以便硏究該混合層厚度之一較佳範圍。 一壓按件係在一引擎油中之下壓力下與該基板上之 D L C薄膜形成接觸，及係藉著馬達在每分鐘丨〇 4 2轉之轉速 (母秒1 2 0 0毫米之滑行速度）下旋轉。於此操作中，當逐漸 增加該壓按件抵住該D L C薄膜之負載（於該壓按件下壓抵 住該DLC薄膜時在該壓按件上之負載）時，已發現涉及一 負載[公斤重/平方毫米]’當在前面之轉速下旋轉該壓按 件所需之馬達轉動扭矩達到2 0 [牛頓]或更多時。當該D L C 薄膜藉著增加該負載變得剝離時，於轉動該壓按件中需要 該馬達之一大轉動扭矩。假如一高度可滑動之D L C薄膜 牢靠地黏著至該基板及不會由該基板分開，亦即即使當加 上一重負載時，該馬達之轉動扭矩於轉動該壓按件中係小 的。因此這顯示出所測量之負載越重，則該DLC薄膜對 該基板之黏附力越高。所使用壓按件之形狀係如 JIS-K72 1 8A所規定，亦即圓柱形，且由機器結構使用之碳鋼 (S50C)製成。 這些結果係顯示於圖4中。圖4顯示當包含鎢及一基 板構成元素之混合層係太厚或太薄時，該DLC薄膜對該 基板之黏附力係降低。由圖4亦變得明顯的是該混合層之 厚度較好係大約1奈米或更多，更好係大約2奈米或更多 。其進一步明顯的是該混合層之厚度較好係大約2 0 0奈米 或更少，更好係大約1〇〇奈米或更少’尤其更好係大約50 奈米或更少，最好係大約1 〇奈米或更少。 -27- (24) 1229139 如上面所提出者，本發明提供一種碳膜塗敷物件，其 中形成一碳膜及該碳膜對該基板之黏附力係高的，及其製 造方法。根據本發明之製造方法，可有效率地形成該碳膜 及其他者。 雖然已詳細敘述及說明本發明，應淸楚地了解本發明 係僅只供作說明及範例，及不欲視爲本發明之限制，本發 明之精神及範圍係僅只受限於所附申請專利範圍之條款。 【圖式簡單說明】 圖1係一局部剖視圖，其顯示該碳膜塗敷物件之一範 例。 圖2 ·係一槪要圖，其顯示該真空電弧澱積裝置之一範 例之結構。 圖3係一曲線圖，其顯示一方面（下面）D l c薄膜之一 底層材料與厚度及另一方面代表D L C薄膜對該基板之黏 附力之剝離面積間之關係。 圖4係一曲線圖’其顯示該D L C薄膜與該基板間所 形成混合層之厚度及一代表該]DLC薄膜對該基板之黏附 力之負荷電阻間之關係。 [圖號說明] 1 :碳膜塗敷物件 1 1 :基板 1 2 :混合層 -28- (25) 1229139 1 3 :鎢膜 14 :碳膜（DLC薄膜） API :真空電弧澱積裝置 20 :真空室 2 1 :基板夾具 2 2 :偏壓電源 2 3 :抽空器 24 :供氣單元 鲁 3，4 :真空電弧蒸發源 3 1，4 1 :陰極 3 2 :電弧電源 3 3 :屏板 3 4 :觸發電極 3 5 :電阻器 42 :陰極夾具 4 3 :電弧電源 · 5 :磁性過濾器 51 :運送管 5 2 :磁性線圈 5 3 :電源 5 4 :端板 -29-

Claims (1)

1. ^12¾1¾ 一 i -------------‘一〜—一) 拾、申請專利範圍 1 . 一種碳膜塗敷物件，其包含一基板；一混合層， 其形成在該基板之至少一部份上，且由構成該基板之元素 及鎢所組成；一鎢膜，其形成在該混合層上；及一碳膜， 其形成在該鎢膜上。 2 ·如申請專利範圍第1項之碳膜塗敷物件，其中該 混合層具有2 0 0奈米或更少之厚度。 3 ·如申請專利範圍第丨項之碳膜塗敷物件，其中該 鎢膜具有170奈米或更少之厚度。 4 .如申請專利範圍第1項之碳膜塗敷物件，其中該 碳膜具有500奈米至10微米之厚度。 5 ·如申請專利範圍第1項之碳膜塗敷物件，其中該 基板係由一包含當作主要成份之鐵之材料所製成。 6 . —種製造碳膜塗敷物件之方法，該物件包含一基 板；一混合層，其形成在該基板之至少一部份上，且由構 成該基板之元素及鎢所組成；一鎢膜，其形成在該混合層 上；及一碳膜，其形成在該鎢膜上，該方法包括以下步驟 在該基板之至少一部份上形成該混合層，該混合層係 由構成該基板之元素及鎢所組成； 在該混合層上形成該鎢膜；及 在該鎢膜上形成該碳膜； 其中該混合層、該鎢膜及該碳膜之至少一種係於真空 電弧澱積裝置中使用一由電弧放電所蒸發之陰極林·料所形 -30- (2) 1229139 成，該澱積裝置具有一包含該陰極之真空電弧蒸發源。 7 .如申請專利範圍第6項之方法，其中該碳膜係藉 著一真空電弧澱積法於該真空電弧澱積裝置中使用碳當作 該陰極材料所形成，而同時施加一脈衝型偏壓至該基板。 8 .如申請專利範圍第6項之方法，其中該混合層係 藉著於該真空電弧澱積裝置中使用鎢當作該陰極材料所形 成，而同時施加一偏壓至該基板以使該基板遭受一高速粒 子撞擊製程。 9 .如申請專利範圍第6項之方法，其中所有該混合 層、該鎢膜及該碳膜係形成在一相同之真空電弧澱積裝置 中〇 1 0.如申請專利範圍第6項之方法.，其中該真空電弧 蒸發裝置具有至少二真空電弧蒸發源，包括具有一包含當 作主要成份之鎢陰極之第一真空電弧蒸發源及具有一包含 當作主要成份之碳陰極之第二真空電弧蒸發源。 η .如申請專利範圍第6項之方法，其中該真空電弧 澱積裝置係一種磁性過濾器型，其具有用於至少一真空電 弧蒸發源之磁性過濾器，用於抑止該陰極材料之微粒附著 至該基板。