CN107287571B - 类金刚石薄膜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种类金刚石薄膜。该类金刚石薄膜包括：沉积于基材之上的金属打底层；沉积于所述金属打底层之上的金属碳化物过渡层；沉积于所述金属碳化物过渡层之上的第一类金刚石层，该第一类金刚石层为功能性类金刚石层；沉积于所述第一类金刚石层之上的第二类金刚石层，该第二类金刚石层为颜色控制类金刚石层。该类金刚石薄膜层间结合力强，具有高硬度、高光洁度、低摩擦系数、耐腐蚀等优点，且具有深色色系外观，特别适用于对颜色外观及可靠性能要求都非常苛刻的装饰镀领域。

Description

类金刚石薄膜
技术领域
本发明涉及薄膜材料技术领域，特别是涉及类金刚石薄膜。
背景技术
随着各项技术的不断发展以及使用条件和场所的复杂化，目前市场对应用于钟表、手机等3C电子产品及其它高端装饰镀领域的装饰性薄膜要求越来越高，除了对颜色、外观有着苛刻的要求外，对薄膜的耐磨损、抗刮伤、耐腐蚀以及化学稳定性等也有着严格的要求。
类金刚石碳膜(DIAMOND-LIKE-CARBON,下文用简称DLC)是一种由C元素构成，在性质上和金刚石类似，同时又具有石墨原子组成结构的非晶态薄膜。DLC薄膜具有高硬度和高弹性模量、低摩擦系数、耐磨损、耐腐蚀、表面光洁度好等优点，可以满足上面提到的各项要求。
如上所述，DLC薄膜是一种具有高硬度、低摩擦系数的非晶态碳膜，所以其膜层结构、热膨胀系数等与常规的金属基材及金属氮化物、碳化物等过渡层存在较大差异，导致常规DLC薄膜的层间结合力较差。
另外，常规方法制备的DLC薄膜颜色不够深，L值一般在48～55之间，颜色发灰，不够美观，这就限制了其在对颜色外观要求非常苛刻的装饰镀领域的应用。对于用磁控溅射方法制备高质量含氢DLC薄膜的过程，实际很难通过掺杂其它元素改变其颜色，因为在大量碳源气体存在的条件下，靶材极容易中毒。通过在DLC层表面用反应磁控溅射等技术沉积常规的PVD薄膜虽然可以获得不同的颜色，但又存在PVD薄膜与DLC层结合力不好的问题，同时面层薄膜也失去了DLC薄膜特有的耐磨损、抗刮伤、耐腐蚀及化学稳定性等特性。
发明内容
基于此，有必要提供一种层间结合力强，具有高硬度、高光洁度、低摩擦系数、耐腐蚀等优点，且颜色可控的类金刚石薄膜。
一种类金刚石薄膜，包括：
沉积于基材之上的金属打底层；
沉积于所述金属打底层之上的金属碳化物过渡层；
沉积于所述金属碳化物过渡层之上的第一类金刚石层，该第一类金刚石层为含氢类金刚石层；
沉积于所述第一类金刚石层之上的第二类金刚石层，该第二类金刚石层为含氢类金刚石层，其折射率小于第一类金刚石层。
本发明的类金刚石薄膜，通过合理控制膜层结构和金属碳化物过渡层，使该过渡层能够与其上的第一类金刚石层达到良好的结合。同时，在第一类金刚石层的基础上进一步设置第二类金刚石层，其中，第一类金刚石层为功能层，主要用以获得薄膜的高硬度、低摩擦系数、耐腐蚀性能，第二类金刚石层为颜色控制层，通过调节该层的折射率和厚度，可根据需要对薄膜的颜色进行控制，且第一类金刚石层和第二类金刚石层均为含氢类金刚石，除了碳、氢元素外，没有额外引入其他元素，达到在确保层间结合力良好的情况下控制类金刚石薄膜颜色的目的，同时保证了类金刚石薄膜整体的高硬度、低摩擦系数、耐腐蚀性能和化学稳定性及光洁度。
本发明的类金刚石薄膜能够广泛应用于高端装饰镀领域，特别适用于对颜色外观及可靠性能要求都非常苛刻的装饰镀领域，如钟表、手机或其它电子产品，以及其它饰物、工艺品等。可通过调节第一类金刚石层和第二类金刚石层的折射率和膜厚控制整体薄膜的颜色。
在其中一个实施例中，所述金属碳化物过渡层中C含量为2％～50％，且由所述金属打底层向所述第一类金刚石层方向逐渐递增。合理控制过渡结构中的C含量，能够提高其与两层类金刚石层的结合力。所述金属碳化物过渡层制备时采用渐增方式通入碳源气体，以实现C含量的渐变递增。
在其中一个实施例中，所述第二类金刚石层的折射率为1.7～2.2，所述第一类金刚石层的折射率为1.9～2.5。
在其中一个实施例中，所述第二类金刚石层的厚度为0.05～0.5μm。
在其中一个实施例中，所述第一类金刚石层的厚度为1～6μm。
进一步合理控制第一类金刚石层和第二类金刚石层的厚度和折射率，使膜层结构差异化，能够获得美观的深色色系外光。
在其中一个实施例中，所述金属打底层的厚度为0.1～2μm，所述金属碳化物过渡层的厚度为0.1～3μm。
对各层厚度进行优选，能够提高薄膜整体的综合性能，如硬度、耐腐蚀性等。
在其中一个实施例中，所述金属碳化物过渡层中的金属为Cr、Ti、W、Zr中的一种或多种。进一步对金属碳化物过渡层中的金属进行筛选，可提高过渡结构各层之间的结合力。
在其中一个实施例中，所述金属碳化物过渡层中的金属为Cr、W中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述金属打底层的材料为Cr或Ti。
在其中一个实施例中，其颜色范围为：L值介于36～43之间可调，a值介于+1.5～-2之间可调，b值介于+6～-4之间可调。本发明的类金刚石薄膜可在一定范围内对颜色进行控制调节，制得所需的颜色较深的薄膜。
附图说明
图1为本发明一实施例中的DLC薄膜的结构示意图；
其中，1、基材；2、金属打底层；3、金属碳化物过渡层；4、功能性DLC层；5、颜色控制DLC层；A、采用磁控溅射PVD方式沉积的膜层；B、采用PACVD方式沉积的膜层。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的类金刚石(DLC)薄膜作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例一种类金刚石(DLC)薄膜，其结构如图1所示，包括：
基材1；
沉积于基材之上的金属打底层2，厚度为0.4μm；
沉积于金属打底层2之上的金属碳化物过渡层3，金属碳化物过渡层3中C含量为2％～50％渐变递增，且依次由金属打底层2朝第一DLC层4方向呈渐变递增；金属碳化物过渡层3的总厚度为1μm；在进行金属碳化物过渡层3的制备时，C2H2、CH4等碳源气体采用渐增的方式进行供气；具体地，金属碳化物过渡层3可为一层单元过渡层或由两层以上层叠设置的单元过渡层形成；
沉积于金属碳化物过渡层3之上的第一DLC层4，该第一DLC层4为功能性DLC层，是含氢DLC薄膜，厚度为1.8μm，折射率为2.5；
沉积于第一DLC层4之上的第二DLC层5，该第二DLC为颜色控制DLC层，也是含氢DLC薄膜，其厚度为0.07μm，折射为2.2。
上述DLC薄膜，可采用常规的物理气相沉积技术进行制备，本实施例采用磁控溅射PVD+PACVD相结合的制备技术，包括如下步骤：
第一步：将基材进行前清洗处理，去除基材表面的脏污、油渍及其它残留异物。
第二步：将经检验清洗合格的基材放置到真空室内抽真空及预热，本底真空压力不高于8.0×10-3Pa，预热温度根据实际需要可在50～300℃之间。
第三步：进行弧靶轰击处理，以活化基材表面，同时也可以更进一步清除基材表面的残留异物。
第四步：磁控溅射PVD技术沉积金属打底层，以改善后续沉积的膜层与基材的结合力。本实施例用Cr靶进行沉积，同时在沉积过程中对基材施加-50～-200V的偏压。
第五步：磁控溅射PVD技术沉积金属碳化物过渡层，该层靶材可为Cr、Ti、W、Zr中的一种或多种，本实施例用Cr靶进行沉积，通入C2H2、CH4等碳源气体，对基材施加-50～-400V的偏压。其中，碳源气体可采用渐增方式供气形成单层的单元过渡层，同时也可通过调节不同碳源气体的分压形成多层单元过渡层叠加的结构。控制表层的金属碳化物过渡层中的C含量(本实施例中过渡层最表面的C含量为50％)及偏压参数，可使其与第一DLC层达到良好的结合。
第六步：PACVD技术沉积功能性DLC层(第一DLC层)，该层主要决定了整个DLC薄膜的硬度、耐腐蚀性及颜色稳定性等性能。在腔室中通入Ar气及C2H2、CH4等碳源气体，对工件施加-300～-1500V的偏压，所得到的DLC薄膜为含氢的DLC薄膜。该层的沉积过程主要为气态的PACVD过程，颜色一致性和重复性非常好，所以在面层施加颜色控制DLC层之后，可以保证同一批次货件间的颜色一致性和不同批次之间的颜色重复性。
第七步：PACVD技术沉积颜色控制DLC层(第二DLC层)，该层也是含氢的DLC薄膜，通过对第六步中第一DLC层的沉积参数，包括成膜压力、偏压、温度等参数进行常规调整，使该第一DLC层的折射率小于第一DLC层的折射率，并且控制其膜厚，最终获得具有深色外观的DLC薄膜，颜色稳定，且对整体的DLC薄膜性能没有明显的影响。
第八步：颜色测量、外观检查及可靠性测试。
实施例2
本实施例一种类金刚石(DLC)薄膜，包括：
基材；
沉积于基材之上的金属打底层，其用Ti靶进行磁控溅射沉积，同时在沉积过程中对基材施加-50～-200V的偏压，厚度为0.3μm；
沉积于金属打底层之上金属碳化物过渡层，所述金属碳化物过渡层中C含量为2％～50％逐渐递增，且依次由金属打底层朝第一DLC层方向呈渐变递增；其用Cr靶+W靶进行反应磁控溅射沉积，C2H2、CH4等碳源气体采用渐增方式进行供气，对基材施加-50～-400V的偏压，金属碳化物过渡层的厚度为1.2μm；
沉积于所述金属碳化物过渡层之上的第一DLC层，折射率为2.3，厚度为2μm；
沉积于所述第一DLC层之上的第二DLC层，折射率为2.0，厚度为0.09μm。
上述DLC薄膜的制备方法类似实施例1。
实施例3
本实施例一种类金刚石(DLC)薄膜，包括：
基材；
沉积于基材之上的金属打底层，其用Ti靶进行磁控溅射沉积，同时在沉积过程中对基材施加-50～-200V的偏压，厚度为2μm；
沉积于金属打底层之上的金属碳化物过渡层，所述金属碳化物过渡层中C含量为2％～50％逐渐递增，且依次由金属打底层朝第一DLC层方向呈渐变递增；其用Cr靶+W靶进行反应磁控溅射沉积，C2H2、CH4等碳源气体采用渐增方式进行供气，对基材施加-50～-400V的偏压，金属碳化物过渡层的厚度为0.1μm；
沉积于所述金属碳化物过渡层之上的第一DLC层，折射率为1.9，厚度为6μm；
沉积于所述第一DLC层之上的第二DLC层，折射率为2.1，厚度为0.5μm。
上述DLC薄膜的制备方法类似实施例1。
对比例1
本对比例一种类金刚石薄膜，其结构类似实施例1，区别在于：未设置第二DLC层5。
对比例2
本对比例一种类金刚石薄膜，其结构类似实施例1，区别在于：未设置第一DLC层4。
对实施例1-3和对比例1-2进行性能测试，结果如下：
以上所述实施步骤仅仅是为清楚地说明本发明所作的特定实例描述，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种类金刚石薄膜，其特征在于，包括：
沉积于基材之上的金属打底层；
沉积于所述金属打底层之上的金属碳化物过渡层；
沉积于所述金属碳化物过渡层之上的第一类金刚石层，该第一类金刚石层为含氢类金刚石层，所述第一类金刚石层的厚度为1～6μm；
沉积于所述第一类金刚石层之上的第二类金刚石层，该第二类金刚石层为含氢类金刚石层，所述第二类金刚石层的厚度为0.05～0.5μm，其折射率小于第一类金刚石层，所述第一类金刚石层的折射率介于1.9～2.5之间，所述第二类金刚石层的折射率介于1.7～2.2之间；
所述金属碳化物过渡层中C含量为2％～50％，且由所述金属打底层向所述第一类金刚石层方向逐渐递增。
2.根据权利要求1所述的类金刚石薄膜，其特征在于，所述金属打底层的厚度为0.3μm、0.4μm或2μm。
3.根据权利要求1所述的类金刚石薄膜，其特征在于，所述第一类金刚石层的折射率为2.5，所述第一类金刚石层的厚度为1.8μm，所述第二类金刚石层的折射率为2.2，所述第二类金刚石层的厚度为0.07μm。
4.根据权利要求1所述的类金刚石薄膜，其特征在于，所述第一类金刚石层的折射率为2.3，所述第一类金刚石层的厚度为2μm，所述第二类金刚石层的折射率为2.0，所述第二类金刚石层的厚度为0.09μm。
5.根据权利要求1所述的类金刚石薄膜，其特征在于，所述金属打底层的厚度为0.1～2μm，所述金属碳化物过渡层的厚度为0.1～3μm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的类金刚石薄膜，其特征在于，所述金属碳化物过渡层中的金属为Cr、Ti、W、Zr中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的类金刚石薄膜，其特征在于，所述金属碳化物过渡层中的金属为Cr、W中的一种或多种。
8.根据权利要求1-5任一项所述的类金刚石薄膜，其特征在于，所述金属打底层的材料为Cr或Ti。
9.根据权利要求1-5任一项所述的类金刚石薄膜，其特征在于，其颜色范围为：L值介于36～43之间可调，a值介于+1.5～-2之间可调，b值介于+6～-4之间可调。
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