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　類鑽碳膜具有高硬度及非常低的摩擦係數，耐酸鹼性及化學鈍性等，由於這些優越特性的組合，使得類鑽碳膜處理的應用相當廣泛。本文主要說明如何以非平衡磁控濺射法成長類鑽碳膜，並且探討製程參數與類鑽碳膜性質的關係，以及類鑽碳膜在工模具之應用例。
    一、前言
　 　所謂的碳膜即以碳為原料，利用物理或化學的方法沈積於基材表面所形成之薄膜材料。由於碳原子能以，及等三種混成軌道存在。隨著此三種混成軌道比例之不 同，碳膜能表現出各種不同的物理及機械性質。依C-C鍵結比例之不同，碳膜共可區分為(1)鑽石膜（diamond films）─C-C形成100％鍵結，(2)類鑽石膜（diamond like）─C-C形成混合鍵結，(3)石墨（Graphite）─C-C形成100％鍵結及，(4)類高分子薄膜（Polymer-like film）─C-C以混合鍵結，屬於非晶質膜。若依碳膜之機械性質區分，則分為“硬質碳膜”及“軟質碳膜”，其中鑽石薄膜及類鑽石薄膜因硬度較高屬於硬質 碳膜，而石墨及類高分子膜因硬度低是屬於“軟質碳膜”。硬質碳膜除了硬度非常高之外，尚具有非常低的摩擦係數及優越的電絕緣性，超高熱傳導性，耐酸鹼性， 化學鈍性，光穿透性，生物相容性，光滑及耐磨耗特性等，由於這些優越特性的組合，使得硬質碳膜在機械，電子、半導體等工業之應用日益廣泛。雖然硬質碳膜具 有相當優越的機械性質及物理性質之組合，但如何將之有效的應用至工業上是許多研究者努力的方向。要使硬質碳膜能應用於工具上，必需要能夠滿足下列幾個條 件：(1)高成長速率，(2)能蒸鍍於複雜的幾何形狀上，(3)與底材具有高附著性，(4)能在低溫下（＜500℃）成長鍍膜，(5)高均勻性，(6)能 大面積蒸鍍。如比較硬質碳膜中之鑽石膜及類鑽石碳膜的成長方法，則以類鑽石碳膜最能符合上述條件。因此，在工，模具之應用方面以類鑽碳膜最富發展潛力。本 研究範圍以最能符合工業應用之類鑽石碳膜為主，說明如何以封閉式非平衡磁控濺射法成長類鑽石碳膜，並且探討非平衡磁控濺射法之製程參數與類鑽碳膜之附著性 的關係，以及類鑽石碳膜在工業上之應用例。
    二、類鑽碳膜之蒸鍍法
　　鑽石為高溫高壓穩定相，若要在較低的溫度及壓力下合成鑽石薄 膜則需有氫原子的存在，一九七五年後各國使用化學氣相沈積法成長鑽石薄膜者，大都選加上大量的原料。傳統CVD製程有熱裂解法及熱燈絲裂解法，由於CVD 化學反應皆在平衡狀態下進行，故其所生成之薄膜的品質及特性必受到熱力學及反應動力學限制，反應溫度仍然相當高，對一般工業上常使用的高速鋼，工具鋼等基 材均無法應用，因此其應用受相當大的限制。為了突破CVD的困難，電漿輔助化學氣相沈積法（Plasma-enhanced CVD, PECVD or Plasma assisted CVD, PACV）因應而生，PECVD的化學反應是藉電場或磁場將反應物活化或離子化，因此反應不受熱力學平衡的限制，可在較低溫下成長硬質碳膜。一九七八年 Holland及Ojha即以丁烷為原料，用rf-PECVD系統成功地合成類鑽薄膜。從此PECVD便廣受各國研究人員所採用[1]，原料多採用含碳之 有機氣體如等，壓力則多在20-300 torr範圍內，基板溫度仍高達600-1000℃。近年來更多的研究[2-4]發現在更低的壓力（ torr）之下，利用DC或rf-PECVD成功地在更低的基板溫度（25-300℃）上成長類鑽碳膜，使得類鑽碳膜可以成長在大多數工業應用的基材上， 解決了低溫蒸鍍的問題之後，如何進一步降低鍍膜的內應力，使鍍膜與基材間的附著力能再提昇而應用於工業用途上成為研究者的目標，有些以介在層的方式改善其 附著性。一九八五年Dimigen及Hubsch發表專利[5]，在類鑽碳膜中添加少量金屬元素降低鍍膜的內應力增加附著性，使得類鑽碳膜應用於耐磨耗用 途上更為可能，到了一九九三年Teer等人利用非平衡磁控濺射的方法成功的結合多層蒸鍍（介在層）及在類鑽碳膜中加入少量金屬元素的概念，使得類鑽碳膜與 基材間的結合力更進一步的提升。至此，類鑽碳膜在工業上的應用開始大步邁開，其用途也不斷的擴增當中，潛力無限。在英國預估至二○○五年時，類鑽碳膜的市 場將擴增至英磅5269 ￡M[6]。
    三、以非平衡磁控濺射法（CFUBMS）蒸鍍類鑽石碳膜
　　使用CFUBMS系統，DLC的製程如下所示[7]。
    抽真空至mbar
    濺射清潔工件表面
    導入氬氣mbar
    設定偏壓值1000 V
    靶材1：使用Ti靶
    靶材2：使用Ti靶
    設定磁場電流
    穩定保持5 min
    導入氣
    設定基板偏壓值
    設定Optical Emmision M icroscope （OEM）值到55％
    維持一段時間（20-30 min）
    設定OEM值（5％，10％，or 15％）
    維持一段時間（30 min）
　 　CFUBMS DLC的蒸鍍製程基本上是一種多層蒸鍍，以TiN/TiCN/TiC為介在層最後再成長DLC鍍膜。在成長TiN/TiCN/TiC時與一般非平衡磁控濺 射法相同，在成長DLC過程中逐漸增加的壓力，使得毒化靶材，靶材表面生成TiC，隨著靶材被毒化的程度愈高，鈦的濺射量愈含碳氫相當高的成分。再藉輝光 中Ar離子的作用將碳原子由靶材表面濺射出來至輝光中，碳原子在輝光中受電子的撞擊作用而離子化，最後受基板偏壓的作用而達基材生成類鑽石碳膜。
    四、蒸鍍條件對鍍膜性質的影響
　　表1表示在各種不同蒸鍍條件下，製程因素對鍍膜性質的影響。製程因素包括靶材電流、基材偏壓、鈦含量及氮含量，鍍膜的性質則測量鍍膜的沈積速率、硬度、磨擦係數、附著性等。
    五、蒸鍍類鑽碳膜之應用例
　 　在國外目前類鑽石碳膜被覆技術之應用已趨成熟，應用範圍愈來拗廣泛[6]，其應用之例子如：(1)應用於紡織業之纖維裁剪刀，在蒸鍍前每五秒需要再研磨 一次，蒸鍍類鑽碳膜後可使用至一個小時以上不需研磨[8]。(2)直徑300 mm齒輪被覆DLC後使用壽命增加30％[9]，其他如成形工具，鋁擠製模，活塞，鋁合金裁切刀具等均有成功的應用[10-11]。
　　本中心所開發之類鑽碳膜被覆技術在工、模具上也有不少成功的應用例子，分述如下：
    壓鑄鋁合金製品之裁邊刀具經類鑽碳膜被覆後，使用次數由10000次提升至50000次。
切削不鏽鋼鑽頭經類鑽碳膜被覆後，鑽孔次數由三十二孔增加至九十四孔，使用壽命提升約三倍。
    IC成形模具經類鑽碳膜被覆後，由成形十批次研磨一次增加至五十一批次研磨一次。
    六、結論
　　本研究主要探討以非平衡磁控濺鍍法蒸鍍類鑽碳膜及類鑽碳膜在工、模具之應用，獲得以下結論：
    基板偏壓愈高，鍍膜成長速率與摩擦係數愈低。無氮氣時，鍍膜附著力變差。鍍膜中鈦含量增加時，附著力增加，但成長速率下降。
    鍍膜的應用在需求低摩擦及低黏著磨耗的使用場合如鋁合金及銅合金及封裝模具的使用場合可發揮極大的效果。

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