專利名稱：耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)、模具及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)及使用此薄膜結(jié)構(gòu)的模 具及其制造方法。
背景技術(shù)：
同時擁有sp2與sp3混
成軌域的碳膜稱之為類鉆碳(Diamond-like carbon,DLC) 薄膜，其中類鉆碳薄膜的特性與天然鉆石相近，除了高硬度與高絕緣性外，對酸、堿、熱都有 很好的抗性。同時，非晶質(zhì)結(jié)構(gòu)的類鉆碳表面平整可以達(dá)到納米等級，具有低摩擦系數(shù)的效 果，使其在相對運動下能避免磨損。由于類鉆碳薄膜的耐磨、耐蝕和抗輻射等特性，同時又 能做成各種復(fù)雜的形狀披覆在工件的表面，作為保護(hù)、潤滑、散熱與美觀等作用，因此，幾乎 各種工業(yè)都可以看到它的存在，例如生醫(yī)材料、半導(dǎo)體材料、表面聲波組件等。一般現(xiàn)有技術(shù)是在類鉆碳薄膜表面滲入氟，以形成含氟的邊界層在保護(hù)層的外表 面，用以提升研磨工具的耐磨性。然而，在類鉆碳薄膜形成之后，再將氟滲入類鉆碳薄膜表 面，僅會在類鉆碳薄膜表面形成含氟的邊界層，因此，氟無法均勻地分布于類鉆碳薄膜中， 而造成對研磨工具無法達(dá)到完整的保護(hù)。另外，現(xiàn)有技術(shù)的方式中是以濺鍍(sputter)等方式將氟于類鉆碳薄膜制作過程 中混入，但使用濺鍍的方法會造成氟的含量越靠近類鉆碳薄膜與空氣的接口越少，因此，造 成表面的保護(hù)效果不足。除了上述現(xiàn)有技術(shù)的問題之外，類鉆碳薄膜在成長過程中，由于高能粒子的撞擊， 且在低溫下到達(dá)基板，離子擴(kuò)散的距離小容易結(jié)合在一起而形成較大的內(nèi)應(yīng)力，使鍍膜在 基板上的附著力不佳，容易造成鍍膜的剝落。因此，現(xiàn)有技術(shù)是在基板與類鉆碳薄膜之間制 作一中間層加以改良，但以氮化處理或碳化處理等方式制作的中間層無法與基板和類鉆碳 層形成穩(wěn)定的分子鍵結(jié)，仍會產(chǎn)生類鉆碳薄膜剝落的問題。相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)揭露于美國專利 第6446933號及日本專利第8337874號、第3183010號和第5169459號。因此，現(xiàn)有技術(shù)的模具上鍍覆的類鉆碳薄膜仍有許多問題尚待解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其具有低薄膜內(nèi)應(yīng)力及摩擦系數(shù)， 可提高所使用的模具的效能及使用壽命。本發(fā)明的另一目的是在提供一種模具，使用上述的薄膜結(jié)構(gòu)，以解決現(xiàn)有技術(shù)的 類鉆碳層因為內(nèi)應(yīng)力的原因，而使得類鉆碳層容易由模具的基板上剝落的問題。為達(dá)成上述目的或其它目的，本發(fā)明提供一種薄膜結(jié)構(gòu)，包括一中間層、一漸進(jìn)層 及一類鉆碳層，漸進(jìn)層形成于中間層上，類鉆碳層形成于漸進(jìn)層上，類鉆碳層含有一摻雜 物。中間層用以降低因類鉆碳層與基板之間板料不同所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使類鉆碳層不易由 基板上剝落。而中間層及漸進(jìn)層用以改善類鉆碳層與基板之間的附著性，而類鉆碳層的摻 雜物為降低類鉆碳薄膜的內(nèi)應(yīng)力及其摩擦系數(shù)。
依照本發(fā)明所述的薄膜結(jié)構(gòu)，其中類鉆碳層的摻雜物包含氫、氟、氮或硅及其混 合。其中摻雜物包含至50%原子百分比的氫、氟、氮及硅至少其中之一，較佳含量為5% 至20 %。其中摻雜物包含各占1 %至20 %原子百分比的氟和氮，較佳含量為5 %至15 %原子 百分比。其中摻雜物包含各占至20%原子百分比的氟、氮和硅，較佳含量為5%至15% 原子百分比。依照本發(fā)明所述的薄膜結(jié)構(gòu)，其中，中間層包含碳、氫和硅。漸進(jìn)層包含碳、氫和 硅，且漸進(jìn)層中的硅含量隨著遠(yuǎn)離中間層而漸減。本發(fā)明另提供一種模具，使用上述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，包括一基板以及一薄膜結(jié) 構(gòu)，薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)置于基板上，且包括一中間層、一漸進(jìn)層及一類鉆碳層。中間層形成于基板 上，漸進(jìn)層形成于中間層上，而類鉆碳層形成于漸進(jìn)層上，類鉆碳層含有一摻雜物。本發(fā)明另提供一種模具的制作方法，包括提供一基板、形成一中間層于基板上、形 成一漸進(jìn)層于中間層上以及形成一類鉆碳層于漸進(jìn)層上，其中，類鉆碳層含有一摻雜物，而 中間層、漸進(jìn)層及類鉆碳層系構(gòu)成一薄膜結(jié)構(gòu)。依照本發(fā)明所述的模具的制作方法，其中包括利用等離子輔助化學(xué)氣相沉積法形 成中間層于基板上，且包括利用碳、氫和硅沉積形成中間層。
依照本發(fā)明所述的模具之制作方法，其中包括利用等離子輔助化學(xué)氣相沉積法形 成漸進(jìn)層于中間層上，且包括利用碳、氫和硅沉積形成漸進(jìn)層。其中漸進(jìn)層的硅含量隨著遠(yuǎn) 離中間層而漸減。依照本發(fā)明所述的模具之制作方法，其中包括利用等離子輔助化學(xué)氣相沉積的方 式形成類鉆碳層于漸進(jìn)層上，類鉆碳層之摻雜物包含氫、氟、氮或硅及其混合。其中摻雜物 包含至50%原子百分比的氫、氟、氮及硅至少其中之一，較佳含量為5%至20%。其中摻 雜物包含各占至20%原子百分比的氟和氮，較佳含量為5%至15%原子百分比。其中 摻雜物包含各占至20%原子百分比的氟、氮和硅，較佳含量為5%至15%原子百分比。依照本發(fā)明所述的模具的制作方法，其中，中間層包含碳、氫和硅，漸進(jìn)層包含碳、 氫和硅，且漸進(jìn)層中的硅含量系隨著遠(yuǎn)離中間層而漸減。綜上所述，本發(fā)明所揭露的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)及其制造方法，是通過中間層與漸進(jìn) 層的原子結(jié)構(gòu)分別與基板和類鉆碳層相似，因此，類鉆碳層能通過中間層與漸進(jìn)層的設(shè)計 而不易由基板上剝落。再者，在類鉆碳層中添加氫、氟、氮和硅等元素，以降低類鉆碳層的內(nèi) 應(yīng)力及其摩擦系數(shù)。有關(guān)本發(fā)明的特征與實作，茲配合圖示作最佳實施例詳細(xì)說明如下。


圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的模具的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明一實施例的模具的制作方法流程示意圖；以及圖3A及圖3B為根據(jù)本發(fā)明的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)的磨擦系數(shù)與距離量測圖。其中，附圖標(biāo)記10 模具21 基板22:中間層
23 漸進(jìn)層24 類鉆碳層100 耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)
具體實施例方式圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的模具的結(jié)構(gòu)示意圖。請參閱圖1，模具10包括一耐 磨耗薄膜結(jié)構(gòu)100及一基板21，耐磨耗結(jié)薄膜結(jié)構(gòu)100設(shè)置于基板21之上。耐磨耗薄膜結(jié) 構(gòu)100包括一中間層22、一漸進(jìn)層23及一類鉆碳層24，其中，中間層22位于基板21上，漸 進(jìn)層23位于中間層22上，類鉆碳層24位于漸進(jìn)層23上，而基板21的板料包括任何金屬 或非金屬板料。在本實施例中，中間層22及漸進(jìn)層23依序設(shè)置于基板21上，其板質(zhì)包含碳、氫和 硅。然而，要說明的是，漸進(jìn)層23內(nèi)的硅含量隨著遠(yuǎn)離中間層22而漸減，其中，漸進(jìn)層包 含1 %至50 %原子百分比的硅，而中間層22包含1 %至50 %原子百分比的硅，較佳是包含 20%至40%原子百分比的硅。另外，類鉆碳層24含有一摻雜物，包括氫、氟、氮或硅元素及其混合。在類鉆碳層 24中添加其它元素，可減少類鉆碳層24中的sp2鍵結(jié)結(jié)構(gòu)，而避免石墨化的產(chǎn)生，同時幫助 在高溫時穩(wěn)定sp3結(jié)構(gòu)。類鉆碳層24的摻雜物，包含至50%的原子百分比的氟，較佳 為包含5%至20%的原子百分比的氟?；蛘撸?0%的原子百分比的氮，而較佳為 包含5 %至20 %的原子百分比的氮?；蛘?，包含1 %至50 %的原子百分比的硅，較佳為包含 5%至20%的原子百分比的硅。當(dāng)然，類鉆碳層24可以同時包含有各占至20%的原子 百分比的氟和氮，而較佳為同時包含有各占5%至15%的原子百分比的氟和氮?；蚴穷愩@ 碳層24也可以同時包含各占至20%的原子百分比的氟、氮和硅，較佳為同時包含有各 占5%至15%的原子百分比的氟、氮和硅。由于本發(fā)明的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)100具有中間層22、漸進(jìn)層23和類鉆碳層24，上述 薄膜之間彼此相鄰設(shè)置且原子結(jié)構(gòu)相近，因此，相鄰的薄膜不會因為原子缺陷等問題，產(chǎn)生 類鉆碳薄膜與基板之間因板料的不同而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力并造成薄膜剝落的現(xiàn)象，因此，中間層 及漸進(jìn)層可增加類鉆碳層與基板之間的附著力。除此之外，本發(fā)明在類鉆碳層添加摻雜物， 以降低類鉆碳薄膜內(nèi)應(yīng)力及其摩擦系數(shù)。因此，由于上述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)的特性，使用于 模具上時，可增加模具的使用壽命及其使用性能。請參照圖2，為根據(jù)本發(fā)明的模具的制作方法流程示意圖，其中模具使用前述的耐 磨耗薄膜結(jié)構(gòu)100。首先，提供一基板(步驟31)。接著，形成一中間層于基板上(步驟32)，其中中間層包含碳、氫和硅。之后，形成一漸進(jìn)層于中間層上(步驟33)，其中漸進(jìn)層包含碳、氫和硅的物質(zhì)，且 漸進(jìn)層中的硅含量隨著遠(yuǎn)離中間層而漸減。最后，形成一類鉆碳層于漸進(jìn)層上(步驟34)，其中類鉆碳層含有一摻雜物。要說明的是，在本發(fā)明中，利用等離子輔助化學(xué)氣相沉積(Plasma AssistedChemical Vapor Deposition,PACVD)法形成耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)的每一層薄膜，其中 將反應(yīng)氣體通入反應(yīng)腔室內(nèi)以沉積所需的薄膜在基板上。在一實施例中，利用包含有碳、氫和硅的氣體以沉積中間層及漸進(jìn)層。中間層的沉積厚度可以為1納米至300納米，較佳的 厚度為1納米至50納米，而漸進(jìn)層的沉積厚度可以為1納米至500納米，較佳的厚度為10 納米至100納米。要說明的是，在沉積形成漸進(jìn)層的過程中，將含有硅的反應(yīng)氣體逐漸抽離 反應(yīng)腔室，因此，漸進(jìn)層中的硅含量會隨著遠(yuǎn)離中間層而逐漸遞減。另外，在本發(fā)明中，通入 包含有含碳、氫和摻雜物的氣體以沉積類鉆碳層，類鉆碳層的沉積厚度可為0. 1微米(um) 至20微米，較佳的厚度為1微米至5微米。請參照圖3A及圖3B，為根據(jù)本發(fā)明的耐磨耗薄膜的摩擦系數(shù)與距離量測圖，其 中，耐磨耗薄膜分別加入氟及硅的摻雜物。由圖中可看出，在制作過程中未添加摻雜物的類 鉆碳層，其摩擦系數(shù)(Friction Coefficient)約在0. 1_0. 2 μ，而添加氟及硅摻雜物的類 鉆碳層的摩擦系數(shù)小于0. 05 μ，其相較于現(xiàn)有技術(shù)的未添加氟的類鉆碳層有較低的摩擦系數(shù)。綜上所述，本發(fā)明的模具使用耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，通過中間層與漸進(jìn)層的原子結(jié)構(gòu) 分別與基板和類鉆碳層相似，因此，類鉆碳層能通過中間層與漸進(jìn)層的設(shè)計而不易由基板 上剝落，且類鉆碳層含有摻雜物可降低其內(nèi)應(yīng)力及摩 擦系數(shù)，因此，由于本發(fā)明的耐磨耗薄 膜結(jié)構(gòu)的特性，當(dāng)使用于模具上時，可增加模具的使用壽命及其使用性能。當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟 悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變 形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，用于一模具，其特征在于，包括一中間層；一漸進(jìn)層，形成于該中間層上；以及一類鉆碳層，形成于該漸進(jìn)層上，該類鉆碳層含有一摻雜物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該類鉆碳層的該摻雜物包含 至50%原子百分比的氫、氟、氮或硅及其混合中至少其中之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該類鉆碳層的該摻雜物包含 5%至20%原子百分比氫、氟、氮及硅中至少其中之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該摻雜物包含各占1%至20 % 原子百分比的氟和氮。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該摻雜物包含各占5%至15% 原子百分比的氟和氮。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該摻雜物包含各占1%至20 % 原子百分比的氟、氮和硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該摻雜物包含各占5%至15% 原子百分比的氟、氮和硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該中間層包含碳、氫和硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該中間層包含至50%原子 百分比的硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該中間層包含20%至40%原 子百分比的硅。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該漸進(jìn)層包含碳、氫和硅，且 硅含量隨著遠(yuǎn)離該中間層漸減。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，其特征在于，該漸進(jìn)層包含至50%原 子百分比的硅。
13.一種具有權(quán)利要求1耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)的模具，其特征在于，包含 一基板；以及一薄膜結(jié)構(gòu)，設(shè)置于該基板上，包括一中間層，形成于該基板上；一漸進(jìn)層，形成于該中間層上；以及一類鉆碳層，形成于該漸進(jìn)層上，該類鉆碳層含有一摻雜物。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的模具，其特征在于，該中間層的厚度為1納米至300納米。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的模具，其特征在于，該中間層的厚度為1納米至50納米。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的模具，其特征在于，該漸進(jìn)層的厚度為1納米至500納米。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的模具，其特征在于，該漸進(jìn)層的厚度為10納米至100納米。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的模具，其特征在于，該類鉆碳層的厚度為0.1微米至20微米。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的模具，其特征在于，該類鉆碳層的厚度為1微米至5微米。
20.一種模具的制造方法，其特征在于，包含提供一基板；形成一中間層于該基板上；形成一漸進(jìn)層于該中間層上；以及形成一類鉆碳層于該漸進(jìn)層上；其中，該類鉆碳層含有一摻雜物，該中間層、該漸進(jìn)層及該類鉆碳層構(gòu)成一薄膜結(jié)構(gòu)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的模具的制造方法，其特征在于，包括利用等離子輔助化學(xué) 氣相沉積法形成該中間層、漸進(jìn)層以及類鉆碳層。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的模具的制造方法，其特征在于，包括利用碳、氫和硅沉積形 成該中間層以及漸進(jìn)層。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的模具的制造方法，其特征在于，該漸進(jìn)層的硅含量隨著遠(yuǎn) 離該中間層漸減。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的模具的制造方法，其特征在于，該類鉆碳層的摻雜物包含 氫、氟、氮或硅及其混合。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的模具的制造方法，其特征在于，該摻雜物包含至50%原 子百分比的氫、氟、氮及硅至少其中之一。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的模具的制造方法，其特征在于，該摻雜物包含5%至20 %原 子百分比的氫、氟、氮及硅至少其中之一。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的模具的制造方法，其特征在于，該摻雜物包含各占至 20%原子百分比的氟和氮。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的模具的制造方法，其特征在于，該摻雜物包含各占5%至 15%原子百分比的氟和氮。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的模具的制造方法，其特征在于，該摻雜物包含各占至 20%原子百分比的氟、氮和硅。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的模具的制造方法，其特征在于，該摻雜物包含各占5%至 15%原子百分比的氟、氮和硅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)，該耐磨耗薄膜結(jié)構(gòu)包括一中間層、一漸進(jìn)層及一類鉆碳層，漸進(jìn)層形成于中間層上，類鉆碳層形成于漸進(jìn)層上，而類鉆碳層含有一摻雜物。在類鉆碳層中添加摻雜物，用以降低類鉆碳層的內(nèi)應(yīng)力及其摩擦系數(shù)。本發(fā)明也揭露使用上述薄膜結(jié)構(gòu)的模具及其制作方法。本發(fā)明通過中間層與漸進(jìn)層的原子結(jié)構(gòu)分別與基板和類鉆碳層相似，因此，類鉆碳層能通過中間層與漸進(jìn)層的設(shè)計而不易由基板上剝落。另外，在類鉆碳層中添加氫、氟、氮和硅等元素，以降低類鉆碳層的內(nèi)應(yīng)力及其摩擦系數(shù)。
文檔編號C23C16/22GK101830089SQ20091012725
公開日2010年9月15日 申請日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月12日
發(fā)明者宋健民, 甘明吉, 胡紹中, 陳嘉延 申請人:中國砂輪企業(yè)股份有限公司