CN105755429B - 一种离子束双过滤沉积技术制备手机屏幕抗划伤氧化铝涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在玻璃上沉积Al₂O₃膜的方法及适用于手机屏幕表面镀膜。其中，具体涉及一种磁过滤等离子体沉积法制备Al₂O₃薄膜技术，该Al₂O₃膜结构包括离子注入钉扎层以及Al₂O₃膜层。本发明的目的是结合离子注入技术、磁过滤技术和阴极弧沉积技术制备的Al₂O₃膜具有高结合力，并通过控制沉积过程中的弧流强度、弯管磁场强度以及氧气的进气量，优化Al₂O₃的厚度、硬度、耐磨性、抗腐蚀性和透光性，制备优质的Al₂O₃膜来代替蓝宝石手机屏幕。本发明所使用的是双磁过滤等离子体沉积设备，设备操作简单，工艺成熟，可实现批量生产，适合电子产品屏幕保护上的应用。

Description

一种离子束双过滤沉积技术制备手机屏幕抗划伤氧化铝涂层 的方法

技术领域

本发明涉及真空镀膜的技术领域，特别涉及在玻璃上沉积氧化铝膜的方法及手机屏幕表面镀膜。

背景技术

手机屏幕材质经历了很长一段发展过程，到目前为止，绝大多数主流智能触摸屏手机所选用的大猩猩玻璃(Gorilla Glass)即将发展到第四代。

手机屏幕材质的选择主要是从材料的硬度、透光度、韧性以及盐腐蚀性方面考虑。近两年内，蓝宝石材料的某些特性引起了业内人士的广泛关注。众所周知，钻石是自然界当中最坚硬的物质，莫氏硬度表给它的评级是10，通过测量不同矿物易受划伤的程度，莫氏硬度表会给出1-10的评级，10为最坚硬，蓝宝石在模式硬度表当中的评级是9，比普通玻璃高两级(Gorilla Glass三代的评级是7)。苹果也已经使用过这种材料，例如保护着iPhone 5和5s的镜头正是蓝宝石。蓝宝石在硬度、强度和韧性上都要比化学强化玻璃高出许多。

蓝宝石的优秀特性使它足以胜任手机屏幕保护层，但现如今没有大量投入市场而还停留在研发阶段，主要原因在于成本问题。蓝宝石主要成分是Al₂O₃，晶体结构复杂，在制作时工艺非常繁琐，重压时质感脆，切割难度较大，导致成品率极低，虽然蓝宝石工艺在不断提升，其成本也几乎是普通手机玻璃屏幕的7-8倍。即使成本如此之高，还是有部分手机厂商研发出蓝宝石版本手机投入市场，如vivo X5L蓝宝石版、华为Ascend P7蓝宝石版等，并且市场回馈评价较高。

经大量调查研究后，本申请的发明人发现：随着供应的增长、生产效率的提升和工艺水平的提高，蓝宝石可能会在未来成为主流手机屏幕材料。但是蓝宝石存在的诸多缺点使它短时间内无法投入市场使用。可以寻求一种成分相同的替代品来达到与蓝宝石材料相当的效果。蓝宝石的成分为Al₂O₃。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种在玻璃上沉积Al₂O₃膜的方法及手机屏幕表面镀膜，可以达到蓝宝石屏幕的效果，抗划伤抗磨损强度高。

与传统等离子体制备Al₂O₃膜技术不同，本发明中Al₂O₃膜形成过程包括等离子体形成过程和Al₂O₃膜形成过程，其中等离子体形成过程又包含金属等离子体形成过程及O等离子体形成过程。所述金属等离子体形成是利用金属离子弧源(Al)做阴极靶材，在真空环境下，通过触发器在阴极靶材表面产生自持弧光放电，做阴极靶材料蒸发；所述氧气等离子体形成是利用铜绕线金属弯管提供弯曲磁场，将所述金属等离子体引出，氧气在金属等离子体束流的激发下被离化，形成O等离子体。所述Al₂O₃膜形成过程是在基材设定一定的负偏压，在负偏压的作用下，金属等离子体和O等离子体在基材表面发生复合反应形成刚玉型结构的Al₂O₃膜。

为提高Al₂O₃膜与基材的结合力，本发明通过离子注入与等离子体沉积复合技术，在基材表面设置有一层金属(Ti、Ni、Cr等)钉扎层。通过控制磁场强度、氧气进气量、金属弧流、调整时间以及负偏压和其对应的占空比，以优化Al₂O₃膜的厚度、硬度、摩擦系数以及结合力等技术指标。

金属钉扎层方案：基材表层10-100纳米深的注入缓冲层。

进一步优选地，所述注入缓冲层是通过金属蒸汽离子源(MEVVA源)产生的金属粒子，在高压电场的作用下加速轰击并进入基材表层，而在基材表层几十纳米井深区形成注入缓冲层。所述MEVVA源为Ni、Ti、Cr等，注入剂量为200-500mc，注入能量为6-12kV。

刚玉型结构Al₂O₃膜制备方案：在设置有所述金属钉扎层的基材上沉积镶嵌结构的Al₂O₃膜，所述Al₂O₃膜是通过金属弧源产生的金属等离子体，在180度弯曲的磁场作用下离化氧气，并在设置有金属钉扎层的基材表面上反应形成的。

进一步优选地，在所述设置有金属钉扎层的基材上按10％-90％占空比施加100V-400V的负偏压。

进一步优选地，在所述金属弧源Al，沉积弧流为80-120A，弯管电流为1.5-2.5A，负偏压为100-400V。

进一步优选地，所述Al₂O₃膜是氧气被金属等离子体束流激发而离化，形成由刚玉型Al₂O₃的膜结构。

进一步优选的，所述制备Al₂O₃膜的进气量为10-70sccm，所述Al₂O₃膜的厚度为350-500nm。

相对于现有技术，本发明实施例具有以下优点：

在传统真空弧等离子沉积技术上增加磁过滤技术，即在阴极弧源之下设置180度弯曲的磁场(铜绕线弯管)。不仅可以有效过滤掉金属等离子体束流中不带电粒子，避免不带电颗粒对最终Al₂O₃膜品质(如表面粗糙度、透光度和摩擦系数等)影响，而且使金属等离子体形成和氧等离子体形成过程有效的分离，有利于分别控制金属和气体的离化进程。本专利所使用的金属靶材阴极弧源，出发后离化率高达100％，弧流大小可控，形成的金属等离子体束流由设置的180度弯曲磁场引出。在磁场的作用下，金属等离子体束流对氧气的离化率远远高于传统PVD和PECVD等技术。本发明提供的磁过滤等离子体沉积Al₂O₃膜技术，操作简单，沉积效率搞，制备的膜具有高硬度、耐磨损、高透光性、高结合力等特点，适合应用于手机屏幕的保护上。

本发明实施例的更多特点和优势将在之后的具体实施方式予以说明。

附图说明

构成本发明实施例一部分的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的在玻璃表面沉积Al₂O₃膜的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的在玻璃表面沉积Al₂O₃膜的方法设备流程示意图；

图3为本发明实施例提供的玻璃表面的XPS测试分峰结果示意图；

图4为本发明实施例提供的玻璃表面Al₂O₃膜的XRD结果示意图；

图5为本发明实施例提供的玻璃表面Al₂O₃膜的硬度测试结果示意图；

图6为本发明实施例提供的玻璃表面Al₂O₃膜的透光度结果示意图。

图7为本发明实施例提供的玻璃表面Al₂O₃膜抗盐溶液腐蚀能力图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图，对本发明的各实施例作进一步说明：

相较于其他制备方法，阴极磁过滤真空弧沉积可以明显的降低制备难度和控制成本，因为其制备温度能达到400℃以下，而气相沉积的制备温度在1000℃左右，物理气相沉积的温度也在750-770℃，玻璃容易软化变形。

针对上述问题，本实施例提出一种相对低温情况下在玻璃表面沉积Al₂O₃膜的方法，该方法包括以下步骤：

1.基材气体离子源抛光清洗：

(a)：使用酒精对基材玻璃超声清洗。

(b)：抛光：利用气体离子源对玻璃进行轰击抛光处理，离子束能量在500-1500eV。

2.钉扎层制备：

(a)注入：将玻璃基材固定于样品台，并转动至注入靶位开始注入。注入离子源浓度99.9％的纯Ni离子源，注入条件为：真空度1×10^-3～6×10^-3Pa，注入弧压50～70V，高压6～12kV，弧流3～6mA，注入剂量为200～500mC。

3.Al₂O₃膜层制备

(a)打开气阀，通入氧气，在Ni钉扎层之上沉积Al₂O₃层。沉积弧源为纯度99.9％的Al弧源，进气量10-70sccm，沉积弧流100～120A，磁场电流1.5～2.5A，负偏压-100～-400V，占空比为10％～90％，沉积时间20-40min。

参照图1，其为玻璃表面上形成各层膜机构示意图。在上述实施例中，利用金属离子注入技术(MEVVA)注入金属，可提高Al₂O₃膜层和玻璃表面的结合力，使结构更加稳定。

为对Al₂O₃膜性能进行说明，这里可参照图3、4、5、6、7，其分别为玻璃表面的XPS测试分峰结果示意图，玻璃表面Al₂O₃膜的XRD结果示意图，玻璃表面Al₂O₃膜的硬度测试结果示意图，玻璃表面Al₂O₃膜的透光度结果示意图，玻璃表面Al₂O₃膜的盐溶液腐蚀性示意图。图3中XPS分析是为了得到Al₂O₃膜中α-Al₂O₃所占的比例。Al₂O₃分为三个相，分别为α、β、γ相，只有α-Al₂O₃具有高的化学和热稳定性，高电阻率，非常低的碱金属粒子和其他杂志，高导热性和宽波长范围内的高透明度。α-Al₂O₃的结合能为7.3-7.8eV,从图中看出本发明所制备的Al₂O₃膜全部为α-Al₂O₃。图4中的XRD分析也是为了证明本发明实施例的Al₂O₃为α-Al₂O₃。通过图5可以看出本发明实施例的Al₂O₃膜硬度都在12GPa以上，并且随着制备温度的升高而增加，400℃时达到23GPa。图6所示为本发明实施例中的Al₂O₃膜的透光度，可以看出在玻璃表面沉积Al₂O₃膜后没显著影响玻璃本身的透光性，可见其能在手机屏幕上有良好的适用性。图7所示本发明实施例中的Al₂O₃膜具有非常好的盐溶液抗腐蚀性，使其不会被人体的汗水所腐蚀，不会影响其作为电子产品屏幕的可行性。

与现有技术相比，本发明的各实施例具有以下优点：

1.相比磁控溅射、电子束蒸发等PVD沉积方法，电弧沉积设备原子离化率高，大约在90％以上。这样，由于原子离化率高，可使等离子体密度增加，成膜时大颗粒减少，有利于提高薄膜硬度、耐磨性、致密性等。

2.相比磁控溅射、电子束蒸发等PVD沉积方法，由于双磁过滤弯管的存在使得其设备的膜层质量更好，液滴等大颗粒几乎都能被过滤损失掉，氧气离化率也非常高，沉积速率快，能够大幅度减少镀膜时间和成本。

3.利用电弧+磁过滤弯管沉积能在低温(小于700℃)得到α-Al₂O₃，α-Al₂O₃所占比例很高，使膜具有高硬度、高透光性、耐腐蚀性和耐磨性，非常适用于手机抗刮涂层。

Claims (7)

1.一种离子束双过滤沉积技术制备手机屏幕抗划伤氧化铝涂层的方法，其特征为：

(a)采用金属真空蒸汽离子源(MEVVA)注入方法，在玻璃表面注入金属元素，形成金属“钉扎层”，注入剂量为200-500mc，注入能量为6-12kV；

(b)在所述金属“钉扎层”之上，采用双磁过滤金属真空弧沉积(FCVA)系统，沉积得到膜层为α-Al₂O₃膜，硬度为12-23GPa，同时膜层结构包括离子注入钉扎层和Al₂O₃膜层。

2.根据权利要求1离子束双过滤沉积技术制备手机屏幕抗划伤氧化铝涂层的方法，其特征在于：所述的双磁过滤等离子体沉积技术为离子注入技术、阴极弧沉积技术、双磁过滤技术、偏压技术以及氧气流量控制技术相结合的沉积技术。

3.根据权利要求1离子束双过滤沉积技术制备手机屏幕抗划伤氧化铝涂层的方法，离子注入钉扎层的特征在于：所述钉扎层是金属真空蒸汽离子源(MEVVA)注入技术，所用金属离子为Ni、Ti、Cr，注入剂量为200-500mc，注入电压为6-12kV，注入深度为10-100nm。

4.根据权利要求1离子束双过滤沉积技术制备手机屏幕抗划伤氧化铝涂层的方法，Al₂O₃沉积技术为双磁过滤等离子体沉积技术，其特征在于：磁过滤阴极靶材为Al，沉积弧流为80-120A，弯管电流为1.5-2.5A，负偏压为100-400V，Al₂O₃膜的厚度为350-500nm。

5.根据权利要求1离子束双过滤沉积技术制备手机屏幕抗划伤氧化铝涂层的方法，其沉积过程特征为：金属等离子体和氧等离子共同沉积形成，表现为刚玉型Al₂O₃结构。

6.根据权利要求1离子束双过滤沉积技术制备手机屏幕抗划伤氧化铝涂层的方法，其特征在于：

氧等离子体是含氧的气体源在磁场的作用下受金属等离子体束流激发而离化为氧等离子体，气体进气量为10-70sccm；

离化过程在双磁过滤弯管中进行，离化率完全由金属等离子体束流强度决定。

7.根据权利要求1所述离子束双过滤沉积技术制备手机屏幕抗划伤氧化铝涂层的方法，Al₂O₃膜层特征在于：

膜层具备抗划伤能力，同时具有非常好的盐溶液抗腐蚀性，使其不会被人体的汗水所腐蚀。