TWI399447B

TWI399447B - 鉻合金靶材及具有硬質薄膜之金屬材料

Info

Publication number: TWI399447B
Application number: TW99110199A
Authority: TW
Inventors: Huanchien Tung; Jyelong Lee; Chunhao Chiu
Original assignee: China Steel Corp
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2013-06-21
Also published as: TW201134961A

Description

鉻合金靶材及具有硬質薄膜之金屬材料

本發明是有關於一種靶材及其應用，且特別是有關於能產生高硬度薄膜之鉻合金靶材及其在金屬材料上的應用。

在金屬基材上覆蓋一硬質薄膜所形成之金屬材料，可應用在相當廣泛的領域中。以日常生活中常見之手持式產品(如手機、音樂播放器(如Mp3播放器)、錄音產品、全球定位系統及個人數位助理(PDA))為例，在追求高質感與品味的需求下，手持式產品之外殼常會以上述之金屬材料加以製造。例如，近年來蓬勃發展之手機市場，常見以鋁鎂合金鍍上一層硬質薄膜的手法來製造手機的外殼，藉此突顯手機本身的質感。

然而，隨著上述金屬材料之硬質薄膜受到堅硬物體的摩擦或碰撞而脫落，以上述金屬材料製造之手持式產品的外觀將失去原有的質感，故金屬材料之硬質薄膜的硬度值大小係與產品外表的質感息息相關。此外，在其他需要耐磨耗的產品中，硬度值亦攸關此產品的使用壽命。

在習知技術中，常見製造耐磨耗之硬質薄膜的方法之一，係同時採用反應性濺鍍及共濺鍍兩種技術來沉積硬質薄膜於金屬基材上。上述之習知主要缺點在於，由於同時使用兩種不同之靶材進行濺鍍，故濺鍍用之腔體結構非常複雜；由於採用反應性濺鍍，故其產生之硬質薄膜品質不穩定；且其厚度為3微米時，威氏硬度(Vickers Hardness)值約為Hv600，仍稍嫌偏低。

此外，其他製造硬質薄膜的習知技術之缺點包括，需要添加除了氬氣之外的額外氣體至濺鍍用之腔體中，容易污染非硬質薄膜的沉積區域，造成產品良率降低。

因此，本發明之目的係在提供一種鉻合金靶材及應用此鉻合金靶材之金屬材料，其中鉻合金靶材係由鉻及矽所組成，且僅需使用單一靶材及物理氣相濺鍍製程即可產生硬質薄膜，故其濺鍍用之腔體結構簡單，產生之硬質薄膜品質穩定，且薄膜之威氏硬度值可達Hv800以上。此外，本發明不需氬氣之外的額外氣體，故不會有上述污染非硬質薄膜的沉積區域之問題。

根據本發明之一實施例，提供一種鉻矽合金靶材。此鉻矽合金靶材係由鉻及矽所組成，其中鉻所佔之重量百分比為5%至95%，且當經由物理氣相濺鍍製程所產生之薄膜的厚度係大於或等於2微米(μm)時，上述薄膜之威氏硬度值為Hv800至Hv1200。

根據本發明之另一實施例，提供一種鉻鍺合金靶材。此鉻鍺合金靶材係由鉻及鍺所組成，其中鉻所佔之重量百分比為5%至95%，且當經由物理氣相濺鍍製程所產生之薄膜的厚度係大於或等於2微米時，上述薄膜之威氏硬度值為Hv800至Hv1000。

根據本發明之另一實施例，提供一種具有硬質薄膜之金屬材料。此具有硬質薄膜之金屬材料包含金屬基板及鉻矽合金薄膜，其中鉻矽合金薄膜係以鉻矽合金靶材及物理氣相濺鍍製程形成於上述金屬基板的表面，且上述鉻矽合金靶材係由鉻及矽所組成，而鉻所佔之重量百分比為5%至95%。此外，當上述鉻矽合金薄膜之厚度大於或等於2微米時，鉻矽合金薄膜之威氏硬度值為Hv800至Hv1200

根據本發明之另一實施例，提供一種具有硬質薄膜之金屬材料。此具有硬質薄膜之金屬材料包含金屬基板及鉻鍺合金薄膜，其中鉻鍺合金薄膜係以鉻鍺合金靶材及物理氣相濺鍍製程形成於上述金屬基板的表面，且上述鉻鍺合金靶材係由鉻及鍺所組成，而鉻所佔之重量百分比為5%至95%。此外，當上述鉻鍺合金薄膜之厚度大於或等於2微米時，鉻鍺合金薄膜之威氏硬度值為Hv800至Hv1000。

本發明之優點為，透過單一靶材之使用，除可達到硬質薄膜品質穩定的目的，進而提高生產良率之外，相較於反應性濺鍍，物理氣相濺鍍製成更可提升生產效率，減少時間成本之支出。

本發明鉻合金靶材的一個態樣，係由鉻及矽所組成，其中鉻所佔之重量百分比為5%至95%。在本發明中，允許存在特定含量下之雜質。當上述由鉻及矽所組成之鉻矽合金靶材經由物理氣相濺鍍製程，可產生具有奈米(nm)等級之結構的薄膜。而當上述薄膜之厚度大於或等於2微米時，其威氏硬度值為Hv800至Hv1200。在利用X光加以檢測後可發現，上述方式所形成之薄膜確實具有奈米等級之結構，故使得薄膜具備高硬度之特性。

本發明鉻合金靶材的另一個態樣，則由鉻及鍺所組成，其中鉻所佔之重量百分比同樣為5%至95%。此外，在同樣經由物理氣相濺鍍製程後，由此一鉻鍺合金靶材所產生之薄膜，在厚度大於或等於2微米時，同樣具有Hv800至Hv1000的威氏硬度值。

採用本發明上述二態樣之鉻合金靶材所形成的薄膜，其採用之物理氣相濺鍍製程包含有直流(DC)式濺鍍製程、中頻(MF)式濺鍍製程、射頻(RF)式濺鍍製程及磁控濺鍍製程。相較於中頻(MF)式濺鍍製程及射頻式濺鍍製程，直流式濺鍍製程所採用之機器設備較為簡單，故其在設備成本上具有相對之優勢。此外，直流式濺鍍製程相較於中頻(MF)式濺鍍製程及射頻式濺鍍製程，其沉積效率較快，故具有生產效率上的優勢。

而本發明具有硬質薄膜之金屬材料的一個態樣，包含金屬基板及鉻矽合金薄膜。上述鉻矽合金薄膜係以鉻矽合金靶材及物理氣相濺鍍製程形成於上述金屬基板的表面，且其中鉻矽合金靶材係由鉻及矽所組成，而鉻所佔之重量百分比為5%至95%。此外，當上述鉻矽合金薄膜之厚度大於或等於2微米時，鉻矽合金薄膜之威氏硬度值為Hv800至Hv1200。

本發明具有硬質薄膜之金屬材料的另一個態樣，包含金屬基板及鉻鍺合金薄膜。上述鉻鍺合金薄膜係利用鉻及鍺所組成之鉻鍺合金靶材及物理氣相濺鍍製程而形成於上述金屬基板的表面。鉻鍺合金靶材中鉻所佔之重量百分比同樣為5%至95%，且當鉻鍺合金薄膜之厚度大於或等於2微米時，鉻鍺合金薄膜之威氏硬度值同樣為Hv800至Hv1000。

上述具有硬質薄膜之金屬材料之本發明的二態樣中，金屬基板的材料可為不銹鋼、銅合金、鋁合金、鎂合金、鈦合金或上述材料之任意組合。就重量而言，相較於不銹鋼及銅合金，鋁合金、鎂合金及鈦合金具有輕量化的優勢。然而，就回收難易及製造所消耗之能量而言，不銹鋼及銅合金則較其他三材料更具有優勢。

而在上述具有硬質薄膜之金屬材料的二態樣中，為了強化金屬基板與鉻矽合金薄膜(或鉻鍺合金薄膜)之間的結合力，更可在金屬基板與鉻矽合金薄膜之間追加一金屬薄膜，其中金屬薄膜之材料可不銹鋼、鎳合金、鈦、鋯、銅、鎳或鉻。

與上述本發明之鉻合金靶材之二態樣類似，在本發明具有硬質薄膜之金屬材料的二態樣中，其採用之物理氣相濺鍍製程可包含直流式濺鍍製程、中頻(MF)式濺鍍製程、射頻式濺鍍製程及磁控濺鍍製程。

在具有硬質薄膜之金屬材料的製備上，係先將金屬基板放置於一物理氣相濺鍍製程所需的腔體中，接著以靶極濺鍍本發明之鉻矽合金靶材或鉻鍺合金靶材，在金屬基板上沉積奈米等級之結構的薄膜，使得金屬基板具備高硬度及高耐磨耗之特性。

根據手機業者所提出之需求，為了確保產品的質感以及美觀，在高階產品的定義上，其外殼表面之威氏硬度值需高於Hv800以上。根據以上所述，本發明之鉻合金靶材或鉻鍺合金靶材所產生之硬質薄膜可滿足上述要求。而相較於習知之技術，本發明所產生之硬質薄膜，在較薄之厚度(2微米)即可達到更高之硬度值，故可提升生產之效率。

以下則以實際實施例更具體地說明本發明，惟本發明的範圍不受這些實施例限制。

實施例一

首先製備多個鉻矽合金靶材，其中此些鉻矽合金靶材中鉻含量之重量百分比為10%至20%。接著製備多個相同之不銹鋼金屬基板。隨後，將不銹鋼金屬基板置入於物理氣相沉積濺鍍腔體中，以直流式磁控靶極分別濺鍍上述的鉻矽合金靶材，分別在對應之不銹鋼金屬基板的表面上沉積2微米厚之鉻矽合金薄膜，完成多個具有硬質薄膜之金屬材料。根據實際測量之結果，位在不銹鋼金屬基板表面上之鉻矽合金薄膜之威氏硬度值為Hv890至Hv980。

實施例二

首先製備多個鉻矽合金靶材，其中此些鉻矽合金靶材中鉻含量之重量百分比為35%至45%。接著製備多個相同之不銹鋼金屬基板。隨後，將不銹鋼金屬基板置入於物理氣相沉積濺鍍腔體中，以直流式磁控靶極分別濺鍍上述的鉻矽合金靶材，分別在對應之不銹鋼金屬基板的表面上沉積2微米厚之鉻矽合金薄膜，完成多個具有硬質薄膜之金屬材料。根據實際測量之結果，位在不銹鋼金屬基板表面上之鉻矽合金薄膜之威氏硬度值為Hv840至Hv880。

實施例三

首先製備多個鉻矽合金靶材，其中此些鉻矽合金靶材中鉻含量之重量百分比為65%至75%。接著製備多個相同之不銹鋼金屬基板。隨後，將不銹鋼金屬基板置入於物理氣相沉積濺鍍腔體中，以直流式磁控靶極分別濺鍍上述的鉻矽合金靶材，分別在對應之不銹鋼金屬基板的表面上沉積2微米厚之鉻矽合金薄膜，完成多個具有硬質薄膜之金屬材料。根據實際測量之結果，位在不銹鋼金屬基板表面上之鉻矽合金薄膜之威氏硬度值為Hv840至Hv890。

實施例四

首先製備多個鉻矽合金靶材，其中此些鉻矽合金靶材中鉻含量之重量百分比為85%至95%。接著製備多個相同之不銹鋼金屬基板。隨後，將不銹鋼金屬基板置入於物理氣相沉積濺鍍腔體中，以直流式磁控靶極分別濺鍍上述的鉻矽合金靶材，分別在對應之不銹鋼金屬基板的表面上沉積2微米厚之鉻矽合金薄膜，完成多個具有硬質薄膜之金屬材料。根據實際測量之結果，位在不銹鋼金屬基板表面上之鉻矽合金薄膜之威氏硬度值為Hv810至Hv840。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種鉻矽合金靶材，由一鉻及一矽組成，其中該鉻所佔之重量百分比為5%至95%；其中當經由一物理氣相濺鍍製程所產生之一薄膜之厚度係大於或等於2微米，該薄膜之威氏硬度值為Hv800至Hv1200。
如請求項1所述之鉻矽合金靶材，其中該物理氣相濺鍍製程係選自於由直流式濺鍍製程、中頻式濺鍍製程、射頻式濺鍍製程及磁控濺鍍製程所組成之一群組。
一種鉻鍺合金靶材，由一鉻及一鍺組成，其中該鉻所佔之重量百分比為5%至95%；其中當經由一物理氣相濺鍍製程所產生之一薄膜之厚度係大於或等於2微米，該薄膜之威氏硬度值為Hv800至Hv1000。
如請求項3所述之鉻鍺合金靶材，其中該物理氣相濺鍍製程係選自於由直流式濺鍍製程、中頻式濺鍍製程、射頻式濺鍍製程及磁控濺鍍製程所組成之一群組。
一種具有硬質薄膜之金屬材料，包含：一金屬基板；以及一鉻矽合金薄膜，以一鉻矽合金靶材及一物理氣相濺鍍製程形成於該金屬基板之一表面；其中該鉻矽合金靶材係由一鉻及一矽組成，且該鉻所佔之重量百分比為5%至95%；其中當該鉻矽合金薄膜之厚度大於或等於2微米時，該鉻矽合金薄膜之威氏硬度值為Hv800至Hv1200。
如請求項5所述之具有硬質薄膜之金屬材料，其中該金屬基板之材料係選自於由不銹鋼、銅合金、鋁合金、鎂合金、鈦合金及上述材料之任意組合所組成之一群組。
如請求項5所述之具有硬質薄膜之金屬材料，更包含一金屬薄膜，介於金屬基板與該鉻矽合金薄膜之間；其中該金屬薄膜之材料係選自於由不銹鋼、鎳合金、鈦、鋯、銅、鎳及鉻所組成之一群組。
如請求項5所述之具有硬質薄膜之金屬材料，其中該物理氣相濺鍍製程係選自於由直流式濺鍍製程、中頻式濺鍍製程、射頻式濺鍍製程及磁控濺鍍製程所組成之一群組。
一種具有硬質薄膜之金屬材料，包含：一金屬基板；以及一鉻鍺合金薄膜，以一鉻鍺合金靶材及一物理氣相濺鍍製程形成於該金屬基板之一表面；其中該鉻鍺合金靶材係由一鉻及一鍺組成，且該鉻所佔之重量百分比為5%至95%；其中當該鉻鍺合金薄膜之厚度大於或等於2微米時，該鉻鍺合金薄膜之威氏硬度值為Hv800至Hv1000。
如請求項9所述之具有硬質薄膜之金屬材料，其中該金屬基板之材料係選自於由不銹鋼、銅合金、鋁合金、鎂合金及鈦合金所組成之一群組。
如請求項9所述之具有硬質薄膜之金屬材料，更包含一金屬薄膜，介於金屬基板與該鉻鍺合金薄膜之間；其中該金屬薄膜之材料係選自於由不銹鋼、鎳合金、鈦、鋯、銅、鎳及鉻所組成之一群組。
如請求項9所述之具有硬質薄膜之金屬材料，其中該物理氣相濺鍍製程係選自於由直流式濺鍍製程、中頻式濺鍍製程、射頻式濺鍍製程及磁控濺鍍製程所組成之一群組。