DLC 類鑽碳膜之製程方法

工業上薄膜製造技術，依據是否有化學反應的機制，可分為物理 氣相沈積(Physical Vapor Deposition，PVD)與化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，CVD)。

2.3.1 CVD 成膜沈積機制

化學氣相沉積 (Chemical Vapor Deposition，CVD)是利用化學反 應的方式，在反應器內，將反應物生成固態的生成物，並沉積在基 材表面的一種薄膜沉積技術[16]。CVD 薄膜的成長是一連串複雜的

過程所構成的。圖 2.5 為薄膜成長機制的說明圖。圖中首先到達基板 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須要的化學反應。所形成的薄膜 構成原子會在基板表面作擴散運動，這個現象稱為吸附原子的表面遷 徙 (surface migration)。當原子彼此相互碰撞時會結合而形成原子團 過程，稱為成核(nucleation)。原子團必須達到一定的大小之後，才能

持續不斷穩定成長。因此小原子團會傾向彼此聚合以形成一較大的原 子團，以調降整體能量。原子團的不斷成長會形成核島(island)。核島 之間的縫隙須要填補原子才能使核島彼此接合而形成整個連續的薄 膜。而無法與基板鍵結的原子則會由基板表面脫離而成為自由原子，

這個步驟稱為原子的吸解(desorption)。

圖 2.5 薄膜成長 CVD 法機制的說明圖[16]

2.3.2 PVD 成膜沈積機制

所謂的物理氣相沉積 (Physical Vapor Deposition，PVD)，就是以 物理現象的方式，來進行薄膜沉積的一種技術[2]。以物理機制來進 行薄膜沉積而不涉及化學反應的製程技術，所謂物理機制是物質的相 變化現象，如蒸鍍(Evaporation)，蒸鍍源由固態轉化為氣態濺鍍 (Sputtering)，蒸鍍源則由氣態轉化為電漿態。

PVD 法可分為離 子 被 覆 、 電 鍍 、 真 空 蒸 著 與 真 空 濺 射 等法，表4 為各種 PVD 法的比較。PVD 與 CVD 的差別在於：PVD 的吸附與吸解是物理性的吸附與吸解作用，而CVD 的吸附與吸解則 是化學性的吸附與吸解反應。

表4 薄膜沉積技術之 比 較 [43]

製程 離子被覆 電鍍 真空蒸著 真空濺射

鍍膜材料 金屬、合金、

化合物 金屬 金屬 金屬、合金、

化合物 技術之特點 真空等離子

體法 電解 真空蒸發 真空等離子

體法

離子能量(eV) 10~數千 -0.1 -0.1~1 1~100

沉積速度 高 一般 高 一般

附著性 非常好 一般 一般 好

薄膜特性

密度高、針孔 少、可能有針

孔和突起

均勻性差 密度較高 均勻性佳

工件溫度(℃) 150~500 取決電解液 30~200 150~500

薄膜純度 與鍍膜材料 有關

取決電解槽的 清潔度和電解

液的純度

取決於鍍膜 材料的純度

與靶材純度 有關

工件尺寸 受真空室 尺寸限制

受鍍槽大小及 電源供率限制

受真空室 尺寸和蒸發源

位置限制

受真空室 尺寸限制

對複雜形狀工 件的鍍著能力

能鍍所有表面

厚度均勻 只鍍直射表面

只鍍直射表面 和較少的 非直射面 工件材料 金屬、玻璃、

陶瓷、塑料

金屬、玻璃、

陶瓷、塑料

金屬、玻璃、

陶瓷、塑料

金屬、玻璃、

陶瓷、塑料

2.3.3 類鑽碳膜成膜機制

類鑽碳膜的製程方面在技術上有陰極電弧法、以及反應性濺鍍法 等，離子束濺鍍法 (Ion-beam sputtering)[26]，雷射熔蝕法 (Laser ablation)[27-28]，直流磁控濺鍍法 (DC magnetron)[29-30]，以及射頻 (13.56MHz) 濺鍍法[31-32]等，圖 2-6 所示為常見的鑽石及類鑽石的 成長方法[11]。

圖2-6 鑽石及類鑽石的成長方法[11]

目前國內有利用陰極電弧[17]，非平衡磁控[18]，射頻偏壓輔助 微波電子迴旋共振化學氣相沉積法[19]，電漿化學氣相沉積法[20-21]

等方法來研究鑽石及類鑽石，也有利用偏壓[22]、參雜(Doping)[23-24]

及 Raman[25] 來研究類鑽膜性質，工模具使用類鑽膜的品質及耐磨 耗性等研究，而目前工業較常用之類鑽膜成長技術如表5。

表 5 工業上較常用之類鑽膜成長技術[43]

成長技術 製程 製程溫度 可達硬度 摩擦係數

Filter Cathod Arc 利用電弧從石墨靶上產生

離子 ＜300℃ 4000HV 0.1~0.2 Unbalance

Magnetron Sputtering

利用外加非平衡磁場提高 CxHv 解離量轟擊金屬靶 材，於靶材上形成類鑽碳 後再沉積於基材

＜200℃ 1500HV 0.1~0.15

High Ionization Sputtering

結合了三極電路與非平衡 磁控濺射提高往基材之離 子流，增加沉積速率

170℃ 2800HV 0.1

Magnetron Sputtering

And ECR-CVD

System

利用微波產生將反應氣體 解離成電漿，並利用電子 迴旋共振方式提高電漿密 度 ， 將 類 鑽 沉 積 於 基 材 上，同時利用氬氣離子電 漿轟擊金屬靶，將金屬離 子植入類鑽膜中

150℃ 3000HV 0.07~0.12

2.3.4 本研究之類鑽碳鍍膜方法

本研究使用電弧離子鍍膜法則是物理氣相沈積法的一種，目前廣

泛應用於各種產品製程上，此外，電弧離子鍍膜製程更具有以下之特 點[42~44]：

(1) 靶材蒸發的原子具有高的離子化率：30%~100%；

(2) 多價離子(multiply charged ions)的釋放；

(3) 解離的離子具有高動能，即高離子動能：10~100eV。

以上的特性對薄膜品質及製程控制而言，造成了以下之優點[42]：

(1) 薄膜具有高附著性與密度；

(2) 沈積速率快且鍍膜均勻；

(3) 大範圍的製程條件下可以得到高品質與化學計量反應鍍膜；

(4) 鍍膜時的基材溫度低(500°C 以下)[45]；

(5) 鍍膜可維持與靶材相同之合金組成。

2.4.1 電弧離子鍍膜

離子鍍膜法早在西元 1963 年由 Mattox 提出，以解決滾動軸承鍍 膜的問題，之後受到世界各國極大重視，並加以研究與應用[42]。這

種薄膜製程的技術是利用氣體放電原理將欲鍍的金屬電離，然後沈積 在零件表面上。而欲鍍的元素以離子狀態滲入金屬材料(或非金屬材 料)的表面，如鍍上 TiN、TiC、ZrN、VC、NbC 等硬質膜可以大大

的提高工具及磨損物的壽命。不僅如此，也可在表面鍍上高溫合金，

如鋁、鎳、氧化鋯等以形成耐熱、耐蝕之保護膜[6]。

2.4.2 電弧離子鍍膜系統

電弧離子鍍膜系統的示意圖見圖 2-7 [42]。由引弧器(Trigger)在靶

2.4.3 弧離子鍍膜原理

電弧離子鍍膜原理是使用陰極電弧(cathodic arc)，在高真空中以 高電流、低電壓產生輝光放電(glow discharge)。如圖 2-8[46]所示，在

陰極靶材表面上蝕刻一個直徑為 1~20μm 的坑洞，稱為陰極弧點 (cathode spot)[47]。當陰極弧點產生後，由於局部溫度升高、膨脹、

爆炸，而在弧點表面形成微坑洞(micro~crater)，產生溫度約 2000°C 的 熔池[48]。圖 2-9 即為陰極弧點產生為坑洞之過程[49]。由於高溫熔

融使靶材上的熔池放射出離子、原子、電子和微粒子等，如圖2-10[42]

即為靶材離子和原子釋放、解離之示意圖。

圖2-7 電弧離子鍍膜系統[42]

圖2-8 電弧輝光放電[46]

圖2-10 陰極弧點處靶材離子和原子釋放、解離之示意圖[42]