高密度電弧蒸鍍技術為離子被覆（Cathodic Arc Ion Plating），屬於物理氣象沉積（PVD）技術的一種。一般是以靶材作為陰極，借助於引弧棒（Trigger），使靶材表面產生電離，利用引弧棒脫離靶材表面一瞬間，電阻急遽增大，使靶材溫度局部升高，從而在靶材表面形成等離子體，在磁場的作用下，飛速沉積在基材表面，其示意如圖一所示。
圖一、高密度電弧蒸鍍技術為離子被覆示意圖
表一為主要物理蒸鍍方法之功能比較，陰極電弧離子沉積屬於高能量物理沉積製程，在製程過程中不需要高基板溫度，沉積出來的膜層卻具有高溫製程的特性。與磁控濺射鍍膜相比，電弧離子鍍膜技術主要優勢包括：1.鍍膜與基材表面結合力強。這是因為離子不斷地轟擊基材，不斷地清洗基材，且離子轟擊所帶動能轉換為熱能，對基材有一個自加熱效應；2.鍍膜品質高。在薄膜沉積過程中，不斷受到解離陽離子的轟擊，致使冷凝物濺射，從而使製備的膜層更緻密；3.沉積速度快。高密度電弧蒸鍍技術由於具有沉積速度快、鍍膜均勻性佳、活化反應沉積優越、適合低溫沉積、各式化合物薄膜之成長（例如氧化物、氮化物、氮氧化物）等優點，越來越受到重視，已廣泛應用在汽車、模具、刀具與電子等領域。
具硬度梯度薄膜之活塞環鍍膜設計
本研究是有關於使用高密度電弧離子蒸鍍系統進行高硬度、高熱傳導速率與低摩擦係數之類鑽碳薄膜鍍膜開發。類鑽碳薄膜從1970年代被發現至今已經有40年的時間，近年來也被廣泛應用在刀工具等切削刀具與耐磨工件上，雖然類鑽碳薄膜擁有許多優越的特性，但仍有應用上的瓶頸待解決，像是薄膜與基材間內應力過大的問題。此外，類鑽碳薄膜與基材間因熱膨脹係數差異過大，會造成類鑽碳薄膜附著性不佳等問題。相較於刀工具與耐磨零組件，活塞環使用的環境與壽命要求更加嚴苛，因此若要將類鑽碳薄膜運用在活塞環表面，則類鑽碳薄膜必須具有相當好的薄膜品質，並與基材產生相當好的結合力。
為了解決類鑽碳薄膜附著不佳的問題，本研究使用多層結構（或稱為漸層結構）的設計理念，在類鑽碳薄膜與活塞環基材之間加入多層中間層（包含金屬緩衝層），中間層設計原則乃先利用金屬緩衝層降低界面應力，再分別利用金屬氮化層（硬度約 Hv 2,000）與金屬碳化層（硬度約 Hv 2,500）做為中間層，最後將類鑽碳薄膜被覆於最外層，製作成不同硬度層的硬度梯度結構，硬度從表面到基材界面逐步降低。
活塞環鍍膜薄膜（Cr/CrN/CrC/DLC）製作
本研究使用高密度電弧離子蒸鍍系統，具有電漿使用區域ψ≧400*H≧500（mm）六組電弧源，及可公自轉的工件載具，在電漿使用區域內可確保厚度均勻性，將Cr/CrN/CrC依序沉積於基材上形成多層膜。所得薄膜之 XPS分析顯示薄膜 SP3（ID）與SP2（IG）兩種組成結構的比例與所使用的基材偏壓有關（圖二），在基材偏壓為 -450V時所得到的薄膜擁有較低之 ID/IG 比例，代表此時的薄膜硬度最高，薄膜硬度分析結果也驗證此一趨勢（圖三）。當基材偏壓為 -450V時，DLC薄膜的硬度約為 25 GPa。DLC薄膜與基材間的附著力測試結果（圖四）也顯示，基材偏壓為 -450V時，得到的 DLC 薄膜與基材間的附著力最大（75.5N）。
圖四、不同偏壓下之DLC薄膜與基材之附著力測試
本研究也藉由 Ball-on-Disc 方式量測薄膜摩擦係數（圖九），結果顯示 ……以上內容為重點摘錄，如欲詳全文請見原文。
作者：陳溪山/工研院南分院
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