CN108866490A - 利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法及装置及涂层 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法及装置及涂层，包括以下步骤：1、在基体表面制备非晶四面体碳涂层，当制备的非晶四面体碳涂层达到设定单次沉积厚度时，用电子束轰击基体表面；2、当基体表面的累积电荷去掉后，停止用电子束轰击基体表面，继续在基体表面制备非晶四面体碳涂层；3、重复N次，直至制备的非晶四面体碳涂层达到设定总厚度。解决了现有技术中非晶四面体碳薄膜难以加厚的问题，本发明电子束轰击不仅起到了去除表面电荷累积，而且起到表面退火去应力的双重作用，可以减小薄膜应力，去除电荷积累产生的影响，从而加厚非晶四面体碳薄膜，延长涂层的使用寿命，实现工业化生产。

Description

利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法及装置及涂层

技术领域

本发明属于带电粒子束材料表面改性技术领域，尤其涉及利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法及装置及涂层。

背景技术

非晶四面体碳薄膜是一种非常接近天然金刚石性能的超硬薄膜，具有硬度高，摩擦系数小，耐腐蚀，抗辐照损伤，透明，吸收紫外和蓝光，生物相容性好等诸多优异特性，非常适合推广到工业生产和医疗器械中的刀具、模具和各种耐磨损部件、光学镜片的表面超硬涂层，以提高使用寿命，减小摩擦，适用范围非常广泛。

例如，目前市场常见的涂层TiN、CrN、TiAlN、CrAlN、TiAlN和CrAlN等的摩擦系数一般在0.5-0.6之间，显微硬度在30GPa～40GPa之间；而非晶四面体碳薄膜的摩擦系数在0.08，显微硬度在80GPa，显然具有很大优势。

但是，由于非晶四面体碳薄膜采用离子镀技术，该薄膜结构是一种非晶结构，虽然硬度高，但应力大，镀厚以后，附着力差，薄膜容易损坏，因此解决加厚问题一直是困扰生产厂家的重大课题，也是目前该技术推广应用的瓶颈。

国内外解决上述问题一般采用的以下方法：一是利用退火工艺减小应力，使薄膜厚度增加，但缺点是硬度下降，且退火工艺不能在镀膜时同时完成；二是掺杂不同材料，如铝、钛等金属，同样可以减小薄膜应力增加厚度，缺点是摩擦系数增大，硬度下降，而且结构和工艺复杂；三是沉积薄膜时，通过变化离子的不同能量，形成软硬涂层交错进行增加薄膜厚度，缺点是操作工艺复杂，工业化生产不好控制。

因此，寻找一个合适的工艺条件实现薄膜加厚，是关系到非晶四面体碳薄膜成功推广应用的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法及装置及涂层，解决了现有技术中非晶四面体碳薄膜难以加厚的问题，本发明可以减小薄膜应力，去除电荷积累产生的影响，从而加厚非晶四面体碳薄膜，延长涂层的使用寿命，实现工业化生产。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法，包括以下步骤：

步骤(a)：在基体表面制备非晶四面体碳涂层，当制备的非晶四面体碳涂层达到设定单次沉积厚度时，用电子束轰击基体表面；

步骤(b)：当基体表面的累积电荷去掉后，停止用电子束轰击基体表面，继续在基体表面制备非晶四面体碳涂层；

步骤(c)：重复N次步骤(a)～(b)，直至制备的非晶四面体碳涂层达到设定总厚度。

更进一步地，本发明的特点还在于：

在步骤(a)中，设定单次沉积厚度为150nm～250nm。

在步骤(c)中，设定总厚度在600nm以上。

在步骤(a)中，通过开启电子枪产生电子束，轰击样品表面，电子枪的电流为500mA～1A；并在电子枪和基体之间加正偏压，正偏压的范围为450V～600V。

在步骤(a)中，用电子束轰击基体表面同时，基体以2r/min～6r/min的转速匀速旋转。

基体为金属或者绝缘体。

本发明还提供了一种实现上述利用电子束加厚非晶四面体碳涂层方法的装置，包括真空镀膜室，真空镀膜室设有进气阀门和放气阀门，基体设置在真空镀膜室内部，真空镀膜室的一侧设有电弧离子源，电弧离子源上设有线圈，真空镀膜室的另一侧设有电子枪，电子枪与用于给电子枪加压的灯丝电源连接；电子枪和基体之间设有用于提供正偏压的加速电源。

更进一步地，本发明的特点还在于：

电子枪和基体之间设有挡板。

真空镀膜室内设有转盘，转盘的下部与转轴连接，转盘的上部设有转台，基体挂在转台上；真空镀膜室内设有扫描器，扫描器的扫描方向为真空镀膜室的纵向方向。

本发明还提供了一种非晶四面体碳涂层，采用上述利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法制备得到。

更进一步地，本发明的特点还在于：

非晶四面体碳涂层中SP3键含量在80％以上，涂层的硬度75GPa-85GPa，薄膜与基体之间的结合力在35N-40N之间，涂层厚度为600nm以上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法，在基体上的镀膜工艺不改变，当薄膜厚度达到设定单次沉积厚度时，由于薄膜形成绝缘膜，导电性差，将形成电荷积累，因此采用电子束去除基体表面电荷积累，将积累的电荷中和，同时电子束对基体表面加热处理，形成局部退火减小应力的作用。重复上述步骤，可使非晶四面体碳薄膜厚度达到600nm以上，相应的寿命可以提高四倍以上。本发明制备加厚非晶四面体碳薄膜的过程，可以与镀膜工艺同时完成，不需其他特殊工艺过程，加厚的表面涂层耐腐蚀和耐磨损特性大大增强，延长了涂层的使用寿命。本发明可以从根本上解决非晶四面体碳薄膜加厚问题，提高涂层使用时间和效率，实现工业化生产。

本发明提供的一种利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的装置，采用电弧离子源在基体表面镀膜，当薄膜厚度达到设定单次沉积厚度时，开启电子枪，将引出的电子束通过正偏压引导到基体上，将积累的电荷中和，同时对样品表面加热处理，形成局部退火减小应力的作用。电荷去除后关掉电子枪，继续启动镀膜程序。重复上述步骤，可使非晶四面体碳薄膜厚度达到600nm以上，相应的寿命可以提高四倍以上。本发明不需改变真空系统工作状态，可以连续完成。

本发明提供的一种采用上述方法制得的非晶四面体碳涂层，非晶四面体碳为非晶结构，涂层中SP3键含量在80％以上，涂层的硬度75GPa-85GPa，薄膜与基体之间的结合力在35N-40N之间，涂层厚度为600nm以上。涂层加厚不改变薄膜的物理化学特性。

附图说明

图1为本发明提供的利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的装置的结构示意图；

图2为本发明提供的电子枪的结构示意图；

图3为加厚后非晶四面体碳涂层的摩擦寿命实验图；

图4(a)和图4(b)为加厚前非晶四面体碳涂层的摩擦寿命实验图；

图中，1、真空镀膜室；2、转盘；3、转轴；4、转台；5、电弧离子源；6、线圈；7、挡板；8、扫描器；9、放气阀门；10、电子枪；11、进气阀门；12、灯丝电源；13、基体；14、加速电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在实际使用中，造成薄膜加厚困难的问题不仅仅是薄膜表面应力的问题，还有表面的电荷积累电场的作用，由于非晶四面体碳薄膜具有高SP3结构，因此它有良好的绝缘特性，在薄膜厚度达300纳米厚时，表面电荷积累产生的电场将严重影响薄膜沉积，因此薄膜加厚需同时解决应力问题和去电荷问题。

因此，本发明提供了一种利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法，包括以下步骤：

步骤(a)：在基体13表面制备非晶四面体碳涂层，当制备的非晶四面体碳涂层达到设定单次沉积厚度时，用电子束轰击基体13表面；

步骤(b)：当基体13表面的累积电荷去掉后，停止用电子束轰击基体13表面，继续在基体13表面制备非晶四面体碳涂层；

步骤(c)：重复N次步骤(a)～(b)，直至制备的非晶四面体碳涂层达到设定总厚度。

本发明的关键是当电子束轰击非晶四面体碳薄膜时，由于镀膜形成电荷积累是碳离子，因此电子可以很好中和电荷积累，从而去除累积电场，因此，可以继续镀膜。同时，当电子束轰击薄膜表面时，由于电子束具有一定的动能，因而在薄膜表面可以产生一定的热量，形成薄膜表面的局部退火，可以产生去应力作用，可以与镀膜同时完成，因此可以很好地使后镀薄膜具有好的附着力，实现加厚功能的同时，仍然可以保持薄膜良好的附着力和薄膜特性。

在步骤(a)中，设定单次沉积厚度为150nm～250nm。

在步骤(c)中，设定总厚度在600nm以上。

在步骤(a)中，通过开启电子枪10产生电子束，轰击样品表面，电子枪10的电流为500mA～1A；并在电子枪10和基体13之间加正偏压，正偏压的范围为450V～600V。

在步骤(a)中，用电子束轰击基体13表面同时，基体13以2r/min～6r/min的转速匀速旋转。

制备加厚非晶四面体碳薄膜，可以与镀膜工艺同时完成，不需其他特殊工艺过程，加厚的表面涂层，耐腐蚀和耐磨损特性大大增强，使用寿命大大延长，薄膜特性保持良好。不需改变真空系统工作状态，可以连续完成。涂层加厚不改变薄膜的物理化学特性。

参见图1，本发明还提供了一种实现利用电子束加厚非晶四面体碳涂层方法的装置，包括真空镀膜室1，真空镀膜室1设有进气阀门11和放气阀门9，基体13设置在真空镀膜室1内部，真空镀膜室1的一侧设有电弧离子源5，电弧离子源5上设有线圈6，真空镀膜室1的另一侧设有电子枪10，电子枪10与用于给电子枪10加压的灯丝电源12连接；电子枪10和基体13之间设有用于提供正偏压的加速电源14。启动电子枪10工作时，先打开灯丝电源12使得电子枪10产生发射电子，然后打开加速电源14，使得电子打到基体13上中和碳离子，来去除电荷累积的影响，基体13为金属或者绝缘体。

优选地，本发明的电子枪10和基体13之间设有挡板7。真空镀膜室1内设有转盘2，转盘2的下部与转轴3连接，转盘2的上部设有转台4，基体13挂在转台4上。真空镀膜室1内设有扫描器8，扫描器8的扫描方向为真空镀膜室1的纵向方向。

本装置的工作过程如下：当利用真空抽气系统抽气达到要求的真空度后，离子源进气，开始离子源清洗，结束后关闭离子源，开启电弧离子源5，当膜厚达到设定单次沉积厚度时，关停电弧离子源5，打开挡板7，启动电子枪10轰击基体13表面，电子枪10发射电流500mA～1A，作去电荷处理，基体13和电子枪10之间加正偏压450V～600V，轰击3min～7min，电荷去除完后关断挡板7，关断电子枪10电源，开始镀膜工艺。由此反复N次，膜厚大约可以加厚到600纳米以上。

本发明还提供了一种非晶四面体碳涂层，采用上述利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法制备得到。得到的非晶四面体碳涂层中SP3键含量在80％以上，涂层的硬度75GPa-85GPa，薄膜与基体13之间的结合力在35N-40N之间，涂层厚度为600nm以上。

需要说明的是，本发明适用于各种非导电涂层的加厚，如非晶四面体碳涂层、二氧化硅涂层等，尤其适用于加厚非晶四面体碳涂层。本发明能够加厚涂层的尺寸，延长涂层的使用寿命，提高涂层使用时间和效率。

下面结合实施例对本发明做进一步说明：

实施例一：

(1)将基体13放入真空镀膜室1。

(2)扫描器8采用磁扫描，扫描方向在真空室纵向，横向扫描依靠转轴3的旋转保障，使镀膜在一个平面进行扫描，保证镀膜的均匀性。

(3)按照正常的镀膜方法进行镀膜，镀膜时，保持转盘2带动转台4旋转，扫描器8正常工作，以保证镀膜的均匀性。

(4)基体13经过沉积非晶四面体碳达到200纳米时，关停电弧离子源5，开启电子枪10电源，将电子枪10的发射电流调到500毫安，打开电子枪10挡板7，加正偏压到500伏，让电子束轰击样品表面，轰击5分钟。轰击时转盘2以3r/min的线速度旋转，以保证横向轰击均匀。在这里，电子束轰击表面有两个作用：一是去除表面电荷；二是表面加热形成浅层退火。

(5)电子束轰击5分钟后，关断挡板7，关断电子枪10电源，启动镀膜程序继续镀膜。

(6)当镀膜厚度再次达到200纳米时，再次关停电弧离子源5，打开电子枪10电源，调到引出电子束流500毫安，加500伏正偏压，轰击基体13表面。

(7)电子束轰击5分钟后，关断挡板7，关断电子枪10电源，启动镀膜程序继续镀膜，使非晶四面体碳薄膜厚度达到600nm以上，相应的寿命可以提高四倍以上。

通过栓盘实验对未加厚前涂层的摩擦磨损性能进行检测，在干摩擦条件下，摩擦副为直径3mm轴承钢珠时，400克砝码，转速每分钟500转，摩擦系数为0.08—0.12之间，参见图4(a)和图4(b)，磨损实验大约180min后，开始出现划痕。

而在本实施例中，非晶四面体碳涂层用加厚方法加厚到600纳米以上，通过栓盘实验对加厚后涂层的摩擦磨损性能进行检测，在干摩擦条件下，摩擦副为直径3mm轴承钢珠时，400克砝码，转速每分钟500转，摩擦系数为0.08—0.12之间，参见图3，本实验中经过4次图3中的240分钟，总共磨损实验可到960分钟，没有明显划痕。

结果显示加厚以后，效果明显，磨损寿命可以提高四倍以上。

实施例二：

(1)将基体13放入真空镀膜室1。

(2)扫描器8采用磁扫描，扫描方向在真空室纵向，横向扫描依靠转轴3的旋转保障，使镀膜在一个平面进行扫描保证镀膜的均匀性。

(3)按照正常的镀膜方法进行镀膜，镀膜时，保持转盘2带动转台4旋转，扫描器8正常工作，以保证镀膜的均匀性。

(4)基体13经过沉积非晶四面体碳达到150纳米时，关停电弧离子源5，开启电子枪10电源，将电子枪10的发射电流调到1安，打开电子枪10挡板7，加正偏压到600伏，让电子束轰击样品表面，轰击3分钟。轰击时转盘2以6r/min的线速度旋转，以保证横向轰击均匀。在这里，电子束轰击表面有两个作用：一是去除表面电荷；二是表面加热形成浅层退火。

(5)电子束轰击3分钟后，关断挡板7，关断电子枪10电源，启动镀膜程序继续镀膜，进行第一次加厚。

(6)当镀膜厚度再次达到150纳米时，再次关停电弧离子源5，打开电子枪10电源，调到引出电子束流1安，加600伏正偏压，轰击基体13表面。

(7)电子束轰击3分钟后，关断挡板7，关断电子枪10电源，启动镀膜程序继续镀膜，进行第二次加厚。

(8)当镀膜厚度再次达到150纳米时，再次关停电弧离子源5，打开电子枪10电源，调到引出电子束流1安，加600伏正偏压，轰击基体13表面。

(9)电子束轰击3分钟后，关断挡板7，关断电子枪10电源，启动镀膜程序继续镀膜，进行第三次加厚，使非晶四面体碳薄膜厚度达到600nm以上，相应的寿命可以提高四倍以上。

实施例三：

(1)将基体13放入真空镀膜室1。

(2)扫描器8采用磁扫描，扫描方向在真空室纵向，横向扫描依靠转轴3的旋转保障，使镀膜在一个平面进行扫描，保证镀膜的均匀性。

(3)按照正常的镀膜方法进行镀膜，镀膜时，保持转盘2带动转台4旋转，扫描器8正常工作，以保证镀膜的均匀性。

(4)基体13经过沉积非晶四面体碳达到250纳米时，关停电弧离子源5，开启电子枪10电源，将电子枪10的发射电流调到750毫安，打开电子枪10挡板7，加正偏压到450伏，让电子束轰击样品表面，轰击7分钟。轰击时转盘2以2r/min的线速度旋转，以保证横向轰击均匀。在这里，电子束轰击表面有两个作用：一是去除表面电荷；二是表面加热形成浅层退火。

(5)电子束轰击7分钟后，关断挡板7，关断电子枪10电源，启动镀膜程序继续镀膜，进行第一次加厚。

(6)当镀膜厚度再次达到250纳米时，再次关停电弧离子源5，打开电子枪10电源，调到引出电子束流750毫安，加450伏正偏压，轰击基体13表面。

(7)电子束轰击7分钟后，关断挡板7，关断电子枪10电源，启动镀膜程序继续镀膜，进行第二次加厚，使非晶四面体碳薄膜厚度达到600nm以上，相应的寿命可以提高四倍以上。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于构思本发明所属技术领域的与本发明相同工艺过程，都视为本发明有所提交的权利要求所限定的专利保护范围。

Claims (10)

1.利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(a)：在基体(13)表面制备非晶四面体碳涂层，当制备的非晶四面体碳涂层达到设定单次沉积厚度时，用电子束轰击基体(13)表面；

步骤(b)：当基体(13)表面的累积电荷去掉后，停止用电子束轰击基体(13)表面，继续在基体(13)表面制备非晶四面体碳涂层；

步骤(c)：重复N次步骤(a)～(b)，直至制备的非晶四面体碳涂层达到设定总厚度。

2.根据权利要求1所述的利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法，其特征在于，在步骤(a)中，设定单次沉积厚度为150nm～250nm。

3.根据权利要求1所述的利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法，其特征在于，在步骤(a)中，通过开启电子枪(10)产生电子束，轰击样品表面，电子枪(10)的电流为500mA～1A；并在电子枪(10)和基体(13)之间加正偏压，正偏压的范围为450V～600V。

4.根据权利要求1所述的利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法，其特征在于，在步骤(a)中，用电子束轰击基体(13)表面同时，基体(13)以2r/min～6r/min的转速匀速旋转。

5.根据权利要求1所述的利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法，其特征在于，基体(13)为金属或者绝缘体。

6.一种实现权利要求1-5任意一项所述的利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法的装置，其特征在于，包括真空镀膜室(1)，真空镀膜室(1)设有进气阀门(11)和放气阀门(9)，基体(13)设置在真空镀膜室(1)内部，真空镀膜室(1)的一侧设有电弧离子源(5)，电弧离子源(5)上设有线圈(6)，真空镀膜室(1)的另一侧设有电子枪(10)，电子枪(10)与用于给电子枪(10)加压的灯丝电源(12)连接；电子枪(10)和基体(13)之间设有用于提供正偏压的加速电源(14)。

7.根据权利要求6所述的利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的装置，其特征在于，电子枪(10)和基体(13)之间设有挡板(7)。

8.根据权利要求6所述的利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的装置，其特征在于，真空镀膜室(1)内设有转盘(2)，转盘(2)的下部与转轴(3)连接，转盘(2)的上部设有转台(4)，基体(13)挂在转台(4)上；真空镀膜室(1)内设有扫描器(8)，扫描器(8)的扫描方向为真空镀膜室(1)的纵向方向。

9.一种非晶四面体碳涂层，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述的利用电子束加厚非晶四面体碳涂层的方法制备得到。

10.根据权利要求9所述的非晶四面体碳涂层，其特征在于，非晶四面体碳涂层中SP3键含量在80％以上，涂层的硬度75GPa-85GPa，薄膜与基体(13)之间的结合力在35N-40N之间，涂层厚度为600nm以上。