行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
含金屬類鑽膜鍍於機械軸封之研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2212-E-151-018- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學機械工程系 計畫主持人： 林明宏 共同主持人： 邱錫榮 計畫參與人員： 鍾育霖 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 11 月 1 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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※ 含金屬類鑽膜鍍於機械軸封之研究 ※
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計畫類別：個別型計畫
計畫編號：NSC 92－2212－E－151－018
執行期間：
92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日
計畫主持人：林明宏
共同主持人：邱錫榮
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
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執行單位：國立高雄應用科技大學 機械與精密工程所
中 華 民 國 九十三年 十月 三十一日
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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
含金屬類鑽膜鍍於機械軸封之研究
計畫編號：NSC 92-2212-E-151-018
執行期限：92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日
主持人：林明宏 國立高雄應用科技大學機械系
共同主持人：邱錫榮 國立高雄應用科技大學模具系
計畫參與人員：鍾育霖 國立高雄應用科技大學機械與精密工程所
一、中文摘要 本研究是應用射頻磁控濺鍍法與純 鈦金屬靶，以低溫製程，將含金屬類鑽 薄 膜 濺 鍍 於 碳 化 鎢(WC) 之 機 械 軸 封 上，並探討含金屬類鑽薄膜鍍於機械軸 封上之機械性質，以250W 所製作的薄 膜對WC 的附著力最好。 關鍵詞：射頻磁控濺鍍、含金屬類鑽薄膜 AbstractIn this study, the Ti-DLC thin film were deposited by RFPVD method with pure Ti target at low temperature. The Ti-DLC deposited on WC seal, and research that mechanical property. The best adhesion when power was 250W.
Keywords: RFPVD, Ti-DLC，adhesion 二、緣由與目的 一般選用機械軸封材料之考量因素 包括強度、硬度、熱傳導係數、熱膨脹 係數、熱擴散係數、熱應力阻抗、磨擦 係數、磨耗係數、軸封面材料與相對結 合面材料的 PV(P：作用面之淨負荷， V：作用面之滑移速度)極限值與腐蝕抵 抗力等，基於以上選用機械軸封材料之 考量因素，則最符合上述性質需求之材 料則為鑽石及類鑽於陶瓷材料上形成 碳 基 鍍 膜 即 鑽 石 及 類 鑽 碳 (Diamond-Like Carbon 即 DLC)鍍膜莫 屬，鑽石膜及類鑽碳膜屬於硬質碳膜， 除硬度非常高外，尚具有非常低的摩擦 係數及優越的電絕緣性和超高熱傳導 性、耐酸鹼性、光穿透性、生物相容性、 表面平滑性及耐磨耗性[1-2]等，由於有 此優越特性，使得其在機械、電子、半 導體等工業應用廣泛。研究人員參考及 利用。 蒸鍍類鑽膜的方法有許多種，主要 區分成 PVD 與 CVD 鍍膜技術[3-7]。
PVD ( Physical Vapor Deposition 物理氣 體沈積相 )與 CVD ( Chemical Vapor Deposition 化學氣體沈積相 ) 是薄膜 成長技術的廣泛稱呼，隨著激發方式不 同，又可細分有十多種方式，包括蒸 鍍、濺鍍、離子鍍、熱燈絲 CVD、電 漿輔助 CVD ( 即 PE-CVD )、光誘發 CVD 等。簡言之，PVD 採用物理方式、 而 CVD 則用化學方式鍍膜。一般而 言，PVD 溫度低，沒有毒氣問題； CVD 是一種能量激化，使氣體反應分解，並 在被鍍基板表面上形成穩定的固體薄 膜的一種化學反應，其具有膜結構緻 密，純度高，操作環境潔淨，可鍍膜於 任可複雜形狀物體上，且可大量生產等 優點。兩種不同的技術特性，應用的範 圍也不同：PVD 沈積到材料表面的附著 力較CVD 差一些，PVD 適於運用在光 電產業，而半導體製程中的金屬導電膜 大多使用 PVD 來沉積，而其絕緣膜則 大多數採用要求較嚴謹的CVD 技術。 類鑽碳膜為非晶態結構，混合了sp2石墨 鍵結與sp3四面體鑽石鍵結。sp3鍵結的 鑽石結構具有高硬度與高熱傳性；sp2鍵 結的石墨結構為平面構造，平面與平面 間的凡得瓦爾力具有潤滑效果，因此類 鑽碳膜同時具有高硬度與良好潤滑 性。類鑽碳膜最大缺點是與基材間的附 著力不佳而容易剝離[8,9]，控制薄膜具
有良好的附著性是一大重點。本實驗是 採用磁控濺鍍來製作DLC，是屬於PVD 方式的一種，其優點是工作溫度低、利 用磁力來加速原子的沈積，以增加濺鍍 速率，提高效能[10]。 三、實驗方法與步驟 3.1 試片準備 以鑽石砂輪將4×4 ㎝ 的 WC 基材拋 光，用丙酮以超音波震盪 15 分鐘後， 用乙醇再以超音波震盪10 分鐘。 3.2 試片鍍膜 利用射頻 ( 13.56MHz ) 磁控濺鍍 機(RF-PVD)(圖 1)，以純度 99.9%的鈦 靶，以 250W的功率，在 1.3×10-3 torr 下，預濺鍍 15 分鐘，清潔靶材表面， 後將基板加熱至 200℃，通入CH4，濺 鍍30 分鐘，沈積含金屬類鑽薄膜。 圖1 RF-PVD 工作示意圖 3.3 試片分析 鍍膜完成的 WC 試片，以 SEM、 Raman 光譜儀、XRD、HRC，對含金屬 類鑽膜做分析。實驗流程圖示於圖2。 試片研磨拋光 清洗 PVD 濺鍍 分析 SEM XRD Raman 光譜 附著力 測試 圖2 實驗流程圖 四、結果與討論 4.1 DLC 薄膜 SEM 觀察 圖3 DLC 薄膜 圖4 DLC 薄膜橫切面圖
由SEM 照片(圖 3，圖 4)中，可見平 整 的 DLC 薄 膜 表 面 ， 其 厚 度 約 為 0.5µm。 4.2 DLC Raman 光譜圖分析 1000 1200 1400 1600 1800 20 40 60 80 100 120 140 In te n s it y ( a .u .) Raman shift (cm-1) 150W 200W 250W 300W 400W 圖5 改變功率之 Raman 光譜圖 上圖為改變 RF 功率，從 150W ~ 400W 的 Raman 光譜圖，在光譜圖中可 觀察到明顯的D-Band 與 G-Band。 在Raman光譜圖，DLC(a-C:H)，其 D-Band在 1350-1390(㎝-1)，G-Band在 1540(㎝-1)和 1580(㎝-1)[11]，由圖 5 中 可 見 在 1380( ㎝ -1) 出 現 D-Band 和 1580(㎝-1)出現G-Band，得知此薄膜為 DLC (a-C:H) ，由圖中可知其最佳條件 為200W。 4.3 XRD 圖6 WC 與鍍上 Ti-DLC 之 XRD 圖 由XRD 圖中，可見到鍍膜前後成分 的改變，含Ti 的 DLC 部份會形成 TiC 在XRD 圖上顯現，其中碳的 Peak 大多 與TiC 的 Peak 重合。 4.4 DLC 附著力量測 圖7 附著力優劣分類圖 圖8 Type HF1 圖9 Type HF6 3
薄膜經洛氏硬度機以 150Kg 的荷重 壓出裂痕，由附著力優劣的分類圖(圖 7)決定其附著力優劣，HF1 的附著力是 最好的(圖 8)其 RF 功率為 250W，HF6 則是最差的(圖 9)。 實 驗 結 果 顯 示 沈 積 含 金 屬 類 鑽 薄 膜，在製程中須考慮到功率的大小對附 著力的影響，通入氣體的流量對類鑽薄 膜的形成的影響，藉由Raman光譜圖， 其 D-band (1350cm-1) 與 G-band(1580 cm-1)型態，辦別薄膜中SP3的鍵結與以 SP2的鍵結，其比例多寡對薄膜品質的 影響，G-band 的位置常會發生偏移， 造成偏移的原因有可能是因為鍵角發 生扭曲或sp3含量提高所造成。若是因為 sp3含量提高所造成，則D-band 也會有 往低波數方向偏移的現象[12]。Tsai 等 人指出G-band 會往低波偏移是因為當 sp3 鍵結參入sp2的石墨晶格中時，因sp3 鍵結力常數比sp2 鍵結力常數來的低， 造成最後鍵結力常數的下降。Tsai 等人 還指出D
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band 的半高寬與膜的結構中 石墨群大小有關[13]。 Tamor 等人指 出G-band 的半高寬與膜本身的密度及 硬度有關[14]。 五、結論 DLC 研究 DLC 薄膜沈積的過程中 之合適製程條件，與量測作為機械軸封 所需性質後，可得到以下結論 1.以RF-Sputter的方式，之DLC濺鍍於 WC上的製程參數為(Ar:CH4 = 5:2)。 2.將基板加熱，在適當的溫度下(基板溫 度加熱至200 ) ℃ 可形成內層石墨居 多而表面趨向鑽石結構的類鑽碳 膜，其類鑽碳膜的附著力較好。 六、計畫成果自評 本計畫經由不同甲烷濃度及基板 溫度得到不同的薄膜表面形態並比較 其異同之分析，可得到最佳的成長DLC 薄膜條件。量測DLC 薄膜之性質後， 可將其實際應用於機械軸封上之參考。 七、參考文獻[1] S. Miyake, R. Kaneko, Thin Solid Films, 212 ,(1992) ,
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