TWI429778B - 以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽石膜之裝置、方法及其製成品 - Google Patents

Description

以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽石膜之裝置、方法 及其製成品

本發明係關於以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽石膜之裝置、方法及其製成品，即關於一種經由氣態化合物分解且表面反應產物不留存於鍍層內之化學鍍覆者。

碳為自然界中相當獨特的一種元素，在常溫常壓下，石墨為碳最穩定的形式，當壓力高至約大氣壓力的六萬倍及溫度超過1500℃時，鑽石是最穩定存在的相，天然鑽石也是在類似壓力下形成的結晶形式。碳的相圖，在不同溫度與壓力下，呈現出不同結構型式，大致可分為晶質碳與非晶質碳。晶質碳結構主要有鑽石(Diamond)、石墨(Graphite)、巴克球(Bucky Ball)及奈米碳管(Carbon Nano Tubes)，而非晶質碳結構主要為類鑽碳(Diamond Like Carbon)、高分子碳(Polymeric Carbon)。

鑽石屬面心立方結構，(Face－Centered Cubic structure,簡稱F.C.C)。每一碳與碳的鍵結均是單鍵，鍵長為1.54，密度為3.515 g/cm³ ，鍵結能為711 kJ/mol。

在鑽石結構中，碳原子以四個sp³ 軌域鍵結，電子軌域完全局部化，完整共價鍵的等方性結構致使無法有更多的電子使其導電；鍵結角度為109∘28’，為碳的同素異構物中密度最大者，也因為其結構緊密，因此硬度高、電絕緣性 佳、熱傳導性佳(高溫下鑽石之熱傳導係數為銅的五倍)、抗酸鹼腐蝕性強。在常溫常壓下，石墨為穩定相。而鑽石僅在高壓下為穩定相，在高溫高壓下為亞穩定相(Meta－Stable Phase)；然而由鑽石結構回復至石墨相所需要的活化能相當大，故鑽石在常溫下仍可保持其狀態。

鑽石為碳的高壓相，故常在高壓下(靜態或爆炸加壓)合成。傳統的高溫高壓鑽石合成方法是把石墨加壓至五萬個大氣壓(相當於月球中心的壓力)以上，在高溫下(>1200℃)把石墨轉化成鑽石。但為使鑽石顆粒長大，必須經過成核與生長的擴散過程，由於直接轉化成鑽石所需的壓力及溫度太高，一般的高壓裝置雖能夠達到這個壓力與溫度，但所合成的鑽石體積太小，不適合工業化生產。因此於合成鑽石的過程中加入熔融的過渡金屬元素(鐵、鈷、鎳或其合金)等為催化劑，可把合成鑽石的活化能降低，使鑽石可以在較低的壓力與溫度環境下成長。鑽石合成的催化劑會與碳產生適度反應，其結果使碳形成溶質，但不形成化合物。因此催化劑與碳產生反應將石墨組織互解打散後即功成身退，使石墨散出的碳原子可自由流動，碳在高壓下重組成鑽石。

合成鑽石的方法雖有多種，但以鐵族為催化劑在穩定高壓下生長鑽石的方法為主流。另外也可以爆炸法把石墨在瞬間(<10^－6 秒)直接轉化成鑽石。近十餘年來，鑽石也可以甲烷為原料，以氫原子為催化劑，在半真空狀態下沈積出來，在穩定的高壓下生長鑽石的速度可利用石墨的類型 、觸媒的成分、恆溫的高低、加壓的大小及生長的時間來控制。由於生長速度不同，合成鑽石的性質差異很大。

綜合上述結果，合成鑽石必須在高溫及高壓下進行。傳統的高壓法以電能持續加熱，將同時受壓的碳原子連續合成為鑽石。爆炸法乃以化學能把全部碳原子加溫及施壓使部份碳原子在剎那間轉化成鑽石。微波電漿束輔助合成法即為微觀的爆炸法，以電能把部份碳原子連續撞擊成鑽石，好比機槍掃射狀態。

傳統上以化學氣相沉積法成長鑽石薄膜，因受限於電漿球大小及均勻性問題，因此無法輕易成長出均勻化大面積鑽石薄膜，且待鍍物件若具有曲面幾何形狀，鍍上均勻化鑽石膜更是一大難題。因此如何成長均勻化大面積薄膜，並提高鍍膜速率，降低耗能，即將是本發明作所欲積極揭露之處。

有鑑於上述化學氣相沉積法成長鑽石薄膜之缺憾，發明人有感其未臻於完善，遂竭其心智悉心研究克服，憑其從事該項產業多年之累積經驗，進而研發出以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽石膜之裝置、方法及其製成品，以期達到成長出均勻化大面積鑽石薄膜，進而提高鍍膜速率，降低耗能的目的。

為達上述目的，本發明提供一種以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽石膜之裝置，包括有：一微 波反應腔體，係於其中進行化學氣相沉積以合成大面積鑽石膜；一氣體源，係將一反應氣體送入該微波反應腔體；一微波電漿產生器，係在該微波反應腔體內激發該反應氣體而產生一微波電漿束；一天線，係與該微波電漿產生器連結，以將該微波電漿產生器所產生之微波電漿束傳導至一基材；一真空抽氣裝置，係與該微波反應腔體連結，以自該微波反應腔體抽出空氣；及一移動式載台，係設置於該微波反應腔體中，用以承載該基材，其特徵在於，該移動式載台係可進行三軸向及旋轉運動。

本發明之另一目的在於提供一種以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽石膜之方法，包括有以下步驟：提供一種如上所述之裝置；將該基材放置於該移動式載台上；利用該微波電漿產生器於該微波反應腔體中產生該微波電漿束；利用該天線傳導該微波電漿束於該基材上，與該反應氣體反應以合成鑽石膜；及將該移動式載台進行三軸向及/或旋轉運動以合成大面積之鑽石膜。

本發明之又一目的在於提供一種如上所述之方法所產生之製成品，包括有：一固熔層，係覆蓋於該基材之上；及一鑽石膜，係覆蓋於該固熔層之上。

藉此，本發明之一種以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽石膜之裝置、方法及其製成品相較於先前技術中，可確實達到成長出均勻化大面積鑽石薄膜，進而提高鍍膜速率，降低耗能的目的。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：首先如第一圖所示，本發明之一種以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽石膜之裝置，包括有一微波反應腔體100、一氣體源110、一微波電漿產生器120、一天線130、一真空抽氣裝置140和一移動式載台150。該微波反應腔體100係用以於其中進行化學氣相沉積以合成大面積鑽石膜。由該氣體源110將一反應氣體，如甲烷、氫氣，送入該微波反應腔體100。該微波電漿產生器120具有一微波控制器122、一微波產生器124、一微波隔離器126和一微波導管128。該微波控制器122控制微波產生器124施加TE模式微波通過微波隔離器126再由微波導管128控制助波位置及模式傳導於微波反應腔體100，在該微波反應腔體100內激發該反應氣體而產生一微波電漿束129。藉由與該微波電漿產生器120連結之天線130，以將所產生之微波電漿束129傳導至一基材160。該真空抽氣裝置140係與該微波反應腔體120連結以自該微波反應腔體120抽出空氣，且經由一蝴蝶閥控制器142控制其閥門的啟閉，進而控制控制各氣體、壓力及鑽石薄膜成長率，達到合成鑽石薄膜的品質效果。該移動式載台150，係設置於該微波反應腔體120中，用以承載該基材160，該移動式載台150係可進行三軸向及旋轉運動，如第二A圖和 二B圖所示。

其中，所採用的天線130係為圓錐型天線或多極式天線，如第三A圖和三B圖所示。理論分析圓錐型天線或多極式天線將形成慢波結構以激發表面波，其傳遞的波導模式為TE wave。此表面波能量被侷限圓錐型天線結構或多極式天線的頂點附近，使其電場能量在軸向為集中分佈，在徑向則以指數型式衰減，如此高功率微波將在圓錐型結構的頂點方向游離氣體，進而激發高能量、密度的火炬式電漿產生，此反應氣體由圓錐型天線或多極式天線外圍所提供，並藉由微波產生之高度擾動，可自然混合導入之氣體。以氣相沈積法合成鑽石，利用具鑽石結構的甲烷基與氫氣之間，氫氣將石墨(sp² 結構)反應帶走的關係，讓碳原子在沈積之前能保持sp³ 結構，直至鑽石沈積；此外氫原子也不斷的清除、氣化已沈積的石墨回到氣相中，以保持鑽石膜的純度。如此反覆以達到沈積高品質鑽石膜的目的。利用微波能量激發甲烷及氫氣，藉由圓錐型天線結構或多極式天線形成電漿束129，使氫氣及甲烷所產生的碳氫鍵結及氫原子，使內部的化學鍵鬆弛或斷裂，促使新鍵生成，進而合成出鑽石薄膜。由於此合成現象屬高溫電漿反應(>1414℃)，將導致鑽石薄膜與該基材160間有擴散和化學反應鍵結發生，這種強而有力鍵結方式保證可形成高附著性、高強韌性且高耐磨耗性的鑽石薄膜。

本發明之一實施例中，該基材160係由選自鐵系合金以及粉末冶金所組成之族群中的材料所製成。

本發明之另一實施例中，該基材160係由選自金屬、陶瓷或矽元素所組成的材料所製成。

接著，請參考第四圖，其係為本發明的方法之流程圖。首先，提供本發明之一種以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽石膜之裝置S10。接著將該基材160放置於該移動式載台150上S20。步驟S30係為利用該微波電漿產生器120於該微波反應腔體100中產生該微波電漿束129。利用該天線130傳導該微波電漿束129於該基材160上，與該反應氣體反應以合成鑽石膜S40。將該移動式載台150進行三軸向及/或旋轉運動以合成大面積之鑽石膜S50。

本發明之一實施例中，更包含有以下步驟：控制該微波電漿束129之成長時間，以得到各種比例或結構之鑽石膜S60。

最後，請參考第五圖，其係為以本發明方法所製成的製成品之剖面圖。如圖所示，該製成品包括有一固熔層162和一鑽石膜164。其中，該固熔層162係覆蓋於該基材160之上，而該鑽石膜164係覆蓋於該固熔層162之上。

一般在基材上預鍍大面積鑽石膜，最大困難度仍在於受限電漿源的面積大小與均勻性，本發明中利用圓錐型天線結構傳遞微波激發甲烷及氫氣產生電漿，反應位置穩定無飄移現象，電漿集中使電漿密度高，使設備發揮最大功能性、達到高溫電漿製程，具備高效率及提高成品率等商業價值，再配合模組化設計移動式載台，可以在真空腔體 以三軸向及球型旋轉方式達到大面積合成鑽石薄膜目的。

本發明之製程有四個優點如下：1.以微波高密度電漿束配合移動式載台，可以依照所預設鍍膜面積，合成出大面積及曲面鑽石薄膜，突破以往傳統鍍膜面積受限之問題。

2.微波電漿束具備較高的電漿密度及游離率，可有助電漿中被活化的氣體分子及化學活化基的數量，進而提高合成鑽石核密度及成長鑽石薄膜速率。

3.微波電漿束不需要電極，對於加偏壓製程而言，微波電漿束化學氣相沈積系統的偏壓參數可與微波輸入功率互相獨立，因此避免製程中污染的問題。

4.微波電漿束化學氣相沈積系統屬於高溫電漿製程，在反應過程中將鑽石與基材產生固溶(Solution)體提高薄膜韌性並形成穩定的擴散或反應性化學鍵結發生，這種混合體兼具鑽石的硬度、耐磨耗性及反應物的高強韌性，混合成一種超硬材料的最佳組合。

如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的可利用性。以新穎性和進步性而言，本發明係藉由微波電漿束之應用並配合該移動式載台，致使於該基材上成長之大面積鑽石有別於傳統以大面積電漿球覆蓋成膜，進而達到提高成膜速率、克服待鍍物件幾何形狀、低耗能、選區成長的目的；就產業上的可利用性而言，利用本發明所衍生的產品，當可充分滿足目前市場的需求。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技 術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧微波反應腔體

110‧‧‧氣體源

120‧‧‧微波電漿產生器

122‧‧‧微波控制器

124‧‧‧微波產生器

126‧‧‧微波隔離器

128‧‧‧微波導管

129‧‧‧微波電漿束

130‧‧‧天線

140‧‧‧真空抽氣裝置

142‧‧‧蝴蝶閥控制器

150‧‧‧移動式載台

160‧‧‧基材

162‧‧‧固熔層

164‧‧‧鑽石膜

S10‧‧‧提供本發明之一種以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽石膜之裝置

S20‧‧‧將該基材放置於該移動式載台上

S30‧‧‧利用該微波電漿產生器於該微波反應腔體中產生該微波電漿束

S40‧‧‧利用該天線傳導該微波電漿束於該基材上，與該反應氣體反應以合成鑽石膜

S50‧‧‧將該移動式載台進行三軸向及/或旋轉運動以合成大面積之鑽石膜

S60‧‧‧控制該微波電漿束之成長時間，以得到各種比例或結構之鑽石膜

第一圖係為本發明的裝置之示意圖。

第二A圖係為本發明之移動式載台在三維方向運動之示意圖。

第二B圖係為本發明之移動式載台在旋轉方向運動之示意圖。

第三A圖係為本發明之圓錐型天線之示意圖。

第三B圖係為本發明之多極式天線之示意圖。

第四圖係為本發明的方法之流程圖。

第五圖係為以本發明方法所製成的製成品之剖面圖。

100‧‧‧微波反應腔體

110‧‧‧氣體源

120‧‧‧微波電漿產生器

122‧‧‧微波控制器

124‧‧‧微波產生器

126‧‧‧微波隔離器

128‧‧‧微波導管

129‧‧‧微波電漿束

130‧‧‧天線

140‧‧‧真空抽氣裝置

142‧‧‧蝴蝶閥控制器

150‧‧‧移動式載台

160‧‧‧基材

Claims (8)

1. 一種以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽石膜之裝置，包括有：一微波反應腔體，係於其中進行化學氣相沉積以合成大面積鑽石膜；一氣體源，係將一反應氣體送入該微波反應腔體；一微波電漿產生器，係在該微波反應腔體內激發該反應氣體而產生一微波電漿束；一天線，係與該微波電漿產生器連結，以將該微波電漿產生器所產生之微波電漿束傳導至一基材；一真空抽氣裝置，係與該微波反應腔體連結，以自該微波反應腔體抽出空氣；及一移動式載台，係設置於該微波反應腔體中，用以承載該基材，其特徵在於，該移動式載台係可進行三軸向及旋轉運動。
2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該天線係為一圓錐型天線。
3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該天線係為一多極式天線。
4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該基材係由選自鐵系合金以及粉末冶金所組成之族群中的材料所製成。
5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中，該基材係由選自金屬、陶瓷或矽元素所組成的材料所製成。
6. 一種以微波電漿束化學氣相沉積系統進行合成大面積鑽 石膜之方法，包括有以下步驟：提供一種如申請專利範圍第1項之裝置；將該基材放置於該移動式載台上；利用該微波電漿產生器於該微波反應腔體中產生該微波電漿束；利用該天線傳導該微波電漿束於該基材上，與該反應氣體反應以合成鑽石膜；及將該移動式載台進行三軸向及/或旋轉運動以合成大面積之鑽石膜。
7. 如申請專利範圍第6項之方法，更包含有以下步驟：控制該微波電漿束之成長時間，以得到各種比例或結構之鑽石膜。
8. 一種利用申請專利範圍第6項之方法所產生之製成品，包括有：一固熔層，係覆蓋於該基材之上；及一鑽石膜，係覆蓋於該固熔層之上。