類鑚（Diamond-like Carbon, DLC）薄膜在過去幾年來，由於其特殊的化合性質，如：良好的場發射性、高光學穿透性、高熱傳導性、高化學抗腐蝕性、優異的摩擦性質與良好的生物相容性，使DLC薄膜在電、光、磁、熱、機械和生醫應用領域受到相當大的注目。其中陰極電弧沉積與脈衝式雷射沉積，吸引許多研究學者以及工業應用上的注意，主要乃因為其可以在低溫製程下沉積多種或多層材料，且沉積速率相較於目前工業界常用的濺鍍沉積法快，若能夠克服薄膜品質上的缺點並達到大面積鍍膜的需求，假以時日應有更大的應用空間。
DLC薄膜形成機制
DLC具有與鑽石相似的優異性質，如硬度，彈性模數和化學抗腐蝕性，不過DLC薄膜是一沒有晶界而等向混亂的薄膜。它的生產費用遠較鑽石便宜，這針對許多應用有相當大的優勢。DLC薄膜沉積主要是由於碳離子或部分中性碳原子衝擊基材而累積形成薄膜，DLC之主要的性質是有關於sp3鍵結。DLC薄膜之sp3鍵結給予它許多鑽石本身的機械硬度、化學穩定性以及寬能隙等有利的性質。類鑚碳薄膜的組成不單單只有非結晶碳（Amorphous Carbons, a-C）也有含氫的非結晶碳（Amorphous Hydrogenated Carbon, a-C:H）。圖一為非結晶C-H混合物各種形式組成的三元相圖。由圖一可以大致了解不同鍵結的碳結構，會使得類鑚薄膜性質上產生相當大的差異，這也就是類鑚薄膜令人著迷之處。
圖一、非結晶碳氫混合物之鍵結三元圖
DLC薄膜製作技術
沉積DLC薄膜的方法迄今發展相當地多元化，綜合目前比較普遍的方法如下：
1.離子束沉積法（Ion Beam Deposition Method）
2.濺鍍沉積法（Sputtering Deposition Method）
3.電漿輔助化學氣相沉積法（ PECVD）
4.陰極真空電弧（Cathodic Vacuum Arc, CVA）沉積
5.雷射脈衝高電流電弧沉積技術（Laser Arc Deposition）
DLC薄膜之應用與發展
一般DLC代表性的特徵有：高硬度、優越的耐磨耗性、表面平滑、摩擦係數小、耐腐蝕性優、近紅外光區的透光率佳以及絕緣性良好等。圖二為DLC薄膜的特性與用途之簡圖。
圖二、DLC薄膜特性與應用
我們知道DLC薄膜具有相當高的硬度與耐磨耗性質。因此，目前工業界大量地將此薄膜特性應用在刀工具以及模具上，提升其使用壽命。圖三乃是類鑚薄膜應用於鑚、銑刀與導軸襯之應用實例。以導軸襯（Guide Bush）為例，切削量3.2mm，轉速8000 rpm下進行切削，結果可知道鍍DLC薄膜的導軸襯可以切削5000個以上的材料，而沒有鍍DLC薄膜的卻只能切削不到50個。近年來DLC薄膜也有應用到手錶之外裝以及高爾夫球球杆頭等工業上的材料與商品。
圖三、類鑚薄膜在加工刀具上之應用
DLC薄膜在生物及醫學方面也有許多研究學者發現其可應用於食物的保存、人造器官的應用。由圖四可以發現當一般的PET瓶表面鍍DLC後可以有效阻絕氣體分子從瓶內擴散到瓶外以保持內含物的成分，也能避免瓶外的氣體分子擴散至PET瓶內導致變質，這也證實在溫度效應下其抗腐敗的效果愈為突顯。
圖四、DLC鍍膜於PET瓶上，阻絕氣體分子之擴散示意圖
另外，也有部分研究學者在DLC薄膜表面進行氟化作用，發現這樣可增進表面的血液相容性、疏水性與化學穩定性。部份文獻也已報導氟掺雜到DLC薄膜中，一方面會稍微降低其表面能和薄膜硬度，但對於其他DLC薄膜的特性卻可以維持。因此，氟化後的類鑚碳（Fluorinated Diamond-like Carbon, F-DLC）的彈性特徵針對鍍三維醫療裝置有相當大的助益，因此可以被用來作為臨床上冠狀動脈支架、心臟瓣膜、骨科的植入等裝置的鍍層。圖五則為DLC薄膜應用於人工關節上，因增加其本身的潤滑性可以大幅延長使用壽命。
圖五、鍍DLC薄膜的人工關節
由於DLC具有良好的絕緣性且DLC薄膜壓應力大。在微機電應用方面，a-C薄膜的壓力感應性質利用在薄膜感應器（Boss Membrane Sensor）上的a-C應變計電阻器（a-C Strain Gauge Resistor），其被組裝在（001）矽微加工上，如圖六。
圖六、微加工之a-C懸臂樑及具a-C應變計之薄膜感應器
近來，DLC薄膜相當多的優異性質逐漸突顯，也使得其應用性廣泛地延展。不過，大部分的研究與應用都屬於比較實驗性質而小型的，且單一鍍膜材料與鍍膜已經無法滿足目前工業上多元化的應用，因此朝向多層膜、大面積與大尺寸方向的發展勢在必行。這將使得真空腔體的空間侷限獲得突破，並有效的改善多層膜之間的附著力等。因此，DLC薄膜在工業產業以及生物醫學上的應用與發展是相當令人期待的。
作者：陳肇英 / 工研院材化所
出處：工業材料雜誌257期
★更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6897