CN106637207A - 一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法，包括下列步骤：超声波清洗步骤：对石墨基材表面进行超声波清洗；离子刻蚀步骤：将石墨基材放入镀膜腔体，将所述镀膜腔体抽真空至6.0×10^‑3Pa，对所述石墨基材表面进行离子刻蚀；底层镀膜步骤：将所述镀膜腔体抽真空至2.66×10^‑3Pa，对所述石墨基材进行底层镀膜，底层镀膜得到的底层为SiC层，AlTi层、AlTiN层、Si层或SiN层中的一种；功能层镀膜步骤：在所述底层表面进行功能层镀膜，得到的功能层为含氢或不含氢的类金刚石层或者金属掺杂的类金刚石层；取料步骤：对所述镀膜腔体泄真空，取出样品。其技术效果是：使得类金刚石薄膜镀于石墨基材上后，能在的600～900℃无氧环境下，对石墨基材起到保护作用。

Description

一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法

技术领域

本发明及真空镀膜领域的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法。

背景技术

目前的手机等电子消费产品上，曲面屏幕已经开始大量使用，而在曲面屏幕的制作上，仍有制约其大规模使用的技术瓶颈。

在制作曲面屏幕时，通常采用在高温无氧的环境下或高温氮气气氛保护的环境下，使用石墨模具压制软化后的玻璃材料，再对玻璃材料进行抛光处理，因为石墨材料本身的局限性，制程会出现几大问题：

第一，石墨模具寿命短：在650℃下通常只能压制几千片曲面屏幕。

第二，成品率低：由于石墨本身质地疏松的材料，易出现粉尘，即便表面抛光处理过，在压制过程中，随着使用时间的延长，曲屏屏幕表面沾上的石墨颗粒物越来越多，极大加剧了抛光的难度，大幅度降低了良品率；

基于这两个问题，曲面屏幕的成本居高不下，大大影响了2.5D和3D曲面屏幕的应用和成本。为了提高曲面屏幕的硬度，导致某些曲面屏幕压制的温度已经被提高至850-900℃。在此温度下，石墨模具的寿命会进一步下降。

为了提高石墨模具的寿命，通常的做法是在石墨模具的表面涂覆类金刚石薄膜。这种薄膜表面必须相当平整无缺陷且耐高温，但是目前的类金刚石薄膜还做不到。

过滤阴极真空电弧沉积镀膜工艺是将真空电弧镀膜源产生的等离子体，借助负偏置电压等吸引至石墨基材上，并在石墨基材表面上形成薄膜的一种方法。其中，真空电弧镀膜源通过真空电弧放电蒸发阴极靶，由此产生含有阴极靶材料的等离子体。过滤阴极真空电弧沉积镀膜工艺具有离化率高、离子能量高、沉积温度低、沉积速率高、膜基结合好，沉积薄膜表面平整等一系列优点，因此，是目前沉积TAC类金刚石薄膜最有前途的方法之一。但是，在薄膜沉积过程中，阴极表面电弧斑放电剧烈，在产生高密度等离子体的同时也产生大量的宏观大颗粒，即直径约为几微米至几十微米的大颗粒。宏观大颗粒与等离子体在石墨基材上的协同沉积，常常使薄膜表面粗糙度增加，膜基结合力下降，影响高质量薄膜的获得，这是对曲面屏幕进行压制的石墨模具所最忌讳的。

目前，减少宏观大颗粒协同沉积的方法为利用带有外加励磁线圈的磁过滤弯管，在传输过程中将宏观大颗粒在一定程度上过滤掉，避免其沉积到石墨基材表面，其机理是在外加磁场作用下，宏观大颗粒由于电荷中性，在惯性作用下直接溅射到磁过滤弯管的管壁上被过滤掉，而质量小的离子束则在磁场作用下，顺利通过磁过滤弯管到达石墨基材表面，从而获得高质量的薄膜。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法，使得类金刚石薄膜镀于石墨基材上后，能在的600～900℃无氧环境下，对石墨基材起到保护作用。

实现上述目的的一种技术方案是：一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法，包括下列步骤：

超声波清洗步骤：对石墨基材表面进行超声波清洗；

离子刻蚀步骤：将石墨基材放入镀膜腔体，将所述镀膜腔体抽真空至6.0×10^-3Pa，对所述石墨基材表面进行离子刻蚀；

底层镀膜步骤：将所述镀膜腔体抽真空至2.66×10^-3Pa，对所述石墨基材进行底层镀膜，底层镀膜得到的底层为SiC层，AlTi层、AlTiN层、Si层或SiN层中的一种；

功能层镀膜步骤：在所述底层表面进行功能层镀膜，得到的功能层为含氢或不含氢的类金刚石层或者金属掺杂的类金刚石层；

取料步骤：对所述镀膜腔体泄真空，取出样品。

进一步的，超声波清洗步骤中，超声波清洗的时间为0.5～1h，超声波的频率为28kHz-80k Hz，清洗完毕在80～100℃下烘烤所述石墨基材四小时以上，将所述石墨基材烘干。

进一步的，所述底层镀膜步骤的反应气体是氮气或乙炔。

进一步的，所述底层镀膜步骤采取的工艺为磁控溅射镀膜工艺、过滤阴极电弧沉积镀膜工艺、多弧离子镀膜工艺或化学气相沉积镀膜工艺中的一种。

进一步的，所述功能层镀膜步骤采取的工艺为过滤阴极真空沉积镀膜工艺、多弧离子镀膜工艺或化学气相沉积镀膜工艺中的一种。

进一步的，离子刻蚀步骤、底层镀膜步骤和功能层镀膜步骤在同一台镀膜设备内进行；

该镀膜设备包括镀膜腔体，所述镀膜腔体内设有转架；

围绕所述镀膜腔体的圆周，依次设有第二弯管连接口、第一弯管连接口、第三弯管连接口、第四弯管连接口、第六弯管连接口和第五弯管连接口，所述第三弯管连接口和所述第四弯管连接口之间相差一个用于安装真空泵的工位；

所述第一至第六弯管连接口对应通过第一至第六磁过滤弯管连接对应的真空电弧镀膜源，所述第一至第六磁过滤弯管上均缠绕励磁线圈；

所述第一磁过滤弯管、所述第二磁过滤弯管和所述第四磁过滤弯管上励磁线圈的电流方向不同于所述第三磁过滤弯管、所述第五磁过滤弯管和所述第六磁过滤弯管上励磁线圈的电流方向；

所述第一弯管连接口和所述第六弯管连接口的水平高度，所述第三弯管连接口和所述第四弯管连接口的水平高度，以及所述第二弯管连接口和所述第五弯管连接口的水平高度，均是不同的。

采用了本发明的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法的技术方案，包括下列步骤：超声波清洗步骤：对石墨基材表面进行超声波清洗；离子刻蚀步骤：将石墨基材放入镀膜腔体，将所述镀膜腔体抽真空至6.0×10^-3Pa，对所述石墨基材表面进行离子刻蚀；底层镀膜步骤：将所述镀膜腔体抽真空至2.66×10^-3Pa，对所述石墨基材进行底层镀膜，底层镀膜得到的底层为SiC层，AlTi层、AlTiN层、Si层或SiN层中的一种；功能层镀膜步骤：在所述底层表面进行功能层镀膜，得到的功能层为含氢或不含氢的类金刚石层或者金属掺杂的类金刚石层；取料步骤：对所述镀膜腔体泄真空，取出样品。其技术效果是：使得类金刚石薄膜镀于石墨基材上后，能在的600～900℃无氧环境下，对石墨基材起到保护作用。

附图说明

图1为本发明的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法制得的类金刚石薄膜的结构示意图。

图2为本发明的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法流程图。

图3为本发明的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法使用的镀膜设备的结构示意图。

图4为本发明的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法使用的镀膜设备中磁过滤弯管的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

通过本发明的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法制得的类金刚石薄膜包括涂覆在石墨基材401表面的底层402以及涂覆在底层表面的功能层403。底层402的作用是为了实现功能层403在石墨基材401表面的附着，加强功能层403在高温下的稳定性。其中底层402可以为SiC层，AlTi层、AlTiN层、Si层或SiN层中的一种，采用的镀膜工艺为磁控溅射工艺，或者多弧离子镀工艺，或者真空气相沉积镀膜工艺。底层402的厚度在5.0μm以内。

功能层403为类金刚石碳膜，可采用的镀膜工艺包括物理气相沉积镀膜工艺、化学气相沉积镀膜工艺，制作的可以是含氢或不含氢的类金刚石层或者金属掺杂的类金刚石层。功能层403的厚度在5.0um以内。

本发明的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法，包括下列步骤：

超声波清洗步骤：使用无水乙醇对石墨基材进行超声波清洗，以去除石墨基材表面颗粒灰尘等脏物；超声波清洗的时间为0.5～1h，超声波的频率为28kHz-80kHz。再在80～100℃下烘烤石墨基材，将石墨基材完全烤干，烘干的时间为约四小时以上。将石墨基材装夹至夹具。此步骤的目的在于去除石墨基材表面的杂质，克服杂质对薄膜与石墨基材之间的结合力的影响。

离子刻蚀步骤：打开类金刚石镀膜设备的镀膜腔体的腔体门，将清洗后的石墨基材连同夹具一起装入类金刚石镀膜设备的镀膜腔体，关上镀膜腔体的腔体门，对镀膜腔体抽真空，当镀膜腔体内的真空度达到6.0×10^-3Pa以下时，可对石墨基材进行离子刻蚀，抽真空的同时，对镀膜腔体进行加热，使镀膜腔体内的温度维持在80～85℃。该步骤的目的在于增加石墨基材的表面积，增强类金刚石薄膜对石墨基材的结合力。

底层镀膜步骤：继续将镀膜腔体的真空度抽真空至2.66×10^-3Pa以下，采用位于镀膜腔体中的磁控溅射源对石墨基材进行磁控溅射镀膜，在石墨基材的表面形成底层，磁控溅射镀膜过程中所采用的反应气体为乙炔或氮气，磁控溅射过程中的温度为室温到200℃。镀膜腔体内可填装多个磁控溅射源，因此可在石墨基材的表面形成的底层的组成也可调整，类金刚石薄膜的底层可以为：SiC层，AlTi层、AlTiN层、Si层或SiN层中的一种。当然，底层镀膜也可通过过滤阴极电弧沉积镀膜工艺，多弧离子镀膜工艺或化学气相沉积镀膜工艺等工艺进行。

功能层镀膜步骤：采用与镀膜腔体连通的真空电弧镀膜源对石墨基材进行过滤阴极电弧沉积镀膜，在底层的表面形成了功能层，过滤阴极电弧沉积镀膜的温度为80～85℃。镀膜腔体内可连通多个真空电弧镀膜源，因此可在底层的表面形成了功能层的组成也可调整，类金刚石薄膜的功能层可以为：含氢或不含氢的类金刚石层或者金属掺杂的类金刚石层。当然，功能层镀膜也可通过多弧离子镀膜工艺或化学气相沉积镀膜工艺等工艺进行。

取料步骤：功能层沉积完成后，对镀膜设备泄真空，将样品取出，镀膜完成。

本发明的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法所采用的镀膜设备，包括镀膜腔体1，镀膜腔体1内设有转架，围绕镀膜腔体1的圆周，依次设有第二弯管连接口12、第一弯管连接口11、第三弯管连接口13、第四弯管连接口14、第六弯管连接口16和第五弯管连接口15。在镀膜腔体1的圆周上，第三弯管连接口13和第四弯管连接口14之间相差一个工位，该工位安装真空泵。

第一弯管连接口11通过第一磁过滤弯管21连接第一真空电弧镀膜源31，第二弯管连接口12通过第二磁过滤弯管22连接第二真空电弧镀膜源32，第三弯管连接口13通过第三磁过滤弯管23连接第三真空电弧镀膜源33，第四弯管连接口14通过第四磁过滤弯管24连接第四真空电弧镀膜源34，第五弯管连接口15通过第五磁过滤弯管25连接第五真空电弧镀膜源35，第六弯管连接口16通过第六磁过滤弯管26连接第六真空电弧镀膜源36，从而使第一真空电弧镀膜源31、第二真空电弧镀膜源32、第三真空电弧镀膜源33、第四真空电弧镀膜源34、第五真空电弧镀膜源35和第六真空电弧镀膜源36连通镀膜腔体1。

第一磁过滤弯管21、第二磁过滤弯管22、第三磁过滤弯管23、第四磁过滤弯管24、第五磁过滤弯管25和第六磁过滤弯管26上均设有励磁线圈，用于在第一磁过滤弯管21、第二磁过滤弯管22、第三磁过滤弯管23、第四磁过滤弯管24、第五磁过滤弯管25和第六磁过滤弯管26中生成磁场。

第一磁过滤弯管21、第二磁过滤弯管22和第四磁过滤弯管24上励磁线圈的电流方向不同于第三磁过滤弯管23、第五磁过滤弯管25和第六磁过滤弯管26上励磁线圈的电流方向；因此第一磁过滤弯管21、第二磁过滤弯管22和第四磁过滤弯管24中磁场的磁场方向相反于第三磁过滤弯管23、第五磁过滤弯管25和第六磁过滤弯管26中磁场的磁场方向。

第一种情况，第一真空电弧镀膜源31、第二真空电弧镀膜源32和第四真空电弧镀膜源34，即第一磁过滤弯管21、第二磁过滤弯管22和第四磁过滤弯管24的A端为磁场的N极；第一弯管连接口11、第二弯管连接口12和第四弯管连接口14，即第一磁过滤弯管21、第二磁过滤弯管22和第四磁过滤弯管24的B端为磁场的S极；第一磁过滤弯管21、第二磁过滤弯管22和第四磁过滤弯管24上励磁线圈的电流方向均为逆时针。

第三真空电弧镀膜源33、第五真空电弧镀膜源35和第六真空电弧镀膜源36，即第三磁过滤弯管23、第五磁过滤弯管25和第六磁过滤弯管26的A端为磁场的S极；第三弯管连接口13、第五弯管连接口15和第六弯管连接口16，即第三磁过滤弯管23、第五磁过滤弯管25和第六磁过滤弯管26的B端为磁场的N极；第三磁过滤弯管23、第五磁过滤弯管25和第六磁过滤弯管26上励磁线圈的电流方向均为顺时针。

第二种情况：第一真空电弧镀膜源31、第二真空电弧镀膜源32和第四真空电弧镀膜源34，即第一磁过滤弯管21、第二磁过滤弯管22和第四磁过滤弯管24的A端为磁场的S极；第一弯管连接口11、第二弯管连接口12和第四弯管连接口14，即第一磁过滤弯管21、第二磁过滤弯管22和第四磁过滤弯管24的B端为磁场的N极；第一磁过滤弯管21、第二磁过滤弯管22和第四磁过滤弯管24上励磁线圈的电流方向均为顺时针。

第三真空电弧镀膜源33、第五真空电弧镀膜源35和第六真空电弧镀膜源36，即第三磁过滤弯管23、第五磁过滤弯管25和第六磁过滤弯管26的A端为磁场的N极；第三弯管连接口13、第五弯管连接口15和第六弯管连接口16，即第三磁过滤弯管23、第五磁过滤弯管25和第六磁过滤弯管26的B端为磁场的S极；第三磁过滤弯管23、第五磁过滤弯管25和第六磁过滤弯管26上励磁线圈的电流方向均为逆时针。

第一弯管连接口11和第六弯管连接口16等高，为第一组弯管连接口，均设置于镀膜腔体1外圆周壁的下部。第三弯管连接口13和第四弯管连接口14等高，为第二组弯管连接口，均位于镀膜腔体1外圆周壁的中部。第二弯管连接口12和第五弯管连接口15等高，为第三组弯管连接口，均位于镀膜腔体1外圆周壁的上部。

上述的设计，消除了磁过滤弯管的励磁线圈之间的干扰，因此镀膜设备上，磁过滤弯管，以及与磁过滤弯管对应的真空电弧镀膜源和弯管连接口的数量均可相应增加，从目前的一至三根磁过滤弯管，以及与磁过滤弯管对应的真空电弧镀膜源和弯管连接口，增加到六根甚至更多的磁过滤弯管，以及与磁过滤弯管对应的真空电弧镀膜源和弯管连接口。同时镀膜腔体1内转架的直径从750mm增加到1.2m，转架可镀膜的高度从原来的300mm增加到900mm。因此镀膜腔体1的装炉量提升，可以进行更大面积的沉积薄膜，镀膜腔体1内可填装更多的磁控溅射源，从目前的一至二个增加到四对。相应地，随着真空电弧镀膜源和磁控溅射源数量的增加，也为今后进行工艺改进，进行成分更为复杂的薄膜的镀膜，尤其是在各种基材表面进行类金刚石薄膜的镀膜提供了可能。

第一真空电弧镀膜源31，第二真空电弧镀膜源32，第三真空电弧镀膜源33，第四真空电弧镀膜源34，第五真空电弧镀膜源35和第六真空电弧镀膜源36中可以安装石墨靶材，以制备优质的类金刚石薄膜。

所述磁控溅射源可以是铝源、硅源、钛源、铬源、碳源等的任意组合，以使基材表面沉积的底层为SiC层，AlTi层、AlTiN层、Si层或SiN层、Cr层、CrN层、Ti层等。

此外镀膜腔体1中还设有对基材进行离子刻蚀的离子刻蚀设备，在对基材进行底层镀膜前，对基材进行离子刻蚀，增强类金刚石薄膜与基材之间的结合力。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (6)

1.一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法，包括下列步骤：

超声波清洗步骤：对石墨基材表面进行超声波清洗；

离子刻蚀步骤：将石墨基材放入镀膜腔体，将所述镀膜腔体抽真空至6.0×10^-3Pa，对所述石墨基材表面进行离子刻蚀；

底层镀膜步骤：将所述镀膜腔体抽真空至2.66×10^-3Pa，对所述石墨基材进行底层镀膜，底层镀膜得到的底层为SiC层，AlTi层、AlTiN层、Si层或SiN层中的一种；

功能层镀膜步骤：在所述底层表面进行功能层镀膜，得到的功能层为含氢或不含氢的类金刚石层或者金属掺杂的类金刚石层；

取料步骤：对所述镀膜腔体泄真空，取出样品。

2.根据权利要求1所述的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法，其特征在于：超声波清洗步骤中，超声波清洗的时间为0.5～1h，超声波的频率为28kHz-80k Hz，清洗完毕在80～100℃下烘烤所述石墨基材四小时以上，将所述石墨基材烘干。

3.根据权利要求1所述的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法，其特征在于：所述底层镀膜步骤的反应气体是氮气或乙炔。

4.根据权利要求1所述的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法，其特征在于：所述底层镀膜步骤采取的工艺为磁控溅射镀膜工艺、过滤阴极电弧沉积镀膜工艺、多弧离子镀膜工艺或化学气相沉积镀膜工艺中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法，其特征在于：所述功能层镀膜步骤采取的工艺为过滤阴极真空沉积镀膜工艺、多弧离子镀膜工艺或化学气相沉积镀膜工艺中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种石墨基材上的耐高温类金刚石涂层方法，其特征在于：离子刻蚀步骤、底层镀膜步骤和功能层镀膜步骤在同一台镀膜设备内进行；

该镀膜设备包括镀膜腔体，所述镀膜腔体内设有转架；

围绕所述镀膜腔体的圆周，依次设有第二弯管连接口、第一弯管连接口、第三弯管连接口、第四弯管连接口、第六弯管连接口和第五弯管连接口，所述第三弯管连接口和所述第四弯管连接口之间相差一个用于安装真空泵的工位；

所述第一至第六弯管连接口对应通过第一至第六磁过滤弯管连接对应的真空电弧镀膜源，所述第一至第六磁过滤弯管上均缠绕励磁线圈；

所述第一磁过滤弯管、所述第二磁过滤弯管和所述第四磁过滤弯管上励磁线圈的电流方向不同于所述第三磁过滤弯管、所述第五磁过滤弯管和所述第六磁过滤弯管上励磁线圈的电流方向；

所述第一弯管连接口和所述第六弯管连接口的水平高度，所述第三弯管连接口和所述第四弯管连接口的水平高度，以及所述第二弯管连接口和所述第五弯管连接口的水平高度，均是不同的。