CN109778136A - 采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法 - Google Patents

Abstract

一种热电子等离子体制备类金刚石涂层的方法，其包括打底过渡层及类金刚石涂层；其通过利用电磁增强磁控溅射制备打底过渡层，随后既可以利用弧光强流热电子等离子体也可以利用灯丝热电子等离子体制备类金刚石涂层；其中弧光强流热电子是通过中心阳极将带有挡板的电弧放电过程中的电子引出，灯丝热电子是通过加热高温灯丝，灯丝发射电子在磁场及电场的作用引出，热电子在向阳极运动过程中，与气体发生碰撞并离化，离化的碳离子沉积在工件表面获得类金刚石涂层；弧光强流热电子及灯丝热电子束流大，在电场及磁场作用下碳氢气体的离化率急剧增大，增大了沉积速率。

Description

采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法

技术领域

本发明属于真空镀膜设备技术领域，涉及一种采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法。

背景技术

类金刚石薄膜(Diamond-like carbon film，DLC)由于具有许多优异的物理、化学性能，如高硬度、低摩擦系数、优良的耐磨性、高介电常数、高击穿电压、宽带隙、化学惰性和生物相容性等。经过多年的发展，DLC薄膜在很多领域的应用也已进入实用和工业化生产阶段。

现有的DLC沉积技术主要是物理气相沉积(PVD)及化学气相沉积(CVD)，其中，PVD主要包括离子束沉积(IBD)、磁控溅射、多弧离子镀、脉冲激光沉积等，CVD包括热丝化学气相沉积、等离子化学增强气相沉积(PECVD)。这几种技术都存在一些问题，主要表现在以下几个方面：离子束沉积因石墨溅射速率低二沉积速率低；磁控溅射沉积一方面溅射速率低，另一方面原子能量低导致结构疏松硬度低；多弧离子镀沉积过程中会产生大量碳颗粒；脉冲激光沉积能耗高，涂层均匀性差，有效沉积区小；热丝气相沉积技术沉积温度高，极大地限制了基体材料的范围；PECVD虽然有效的降低了反应温度，但沉积过程中沉积效率较低，碳原子离化率低，成膜质量结构不够致密。

而现有的类金刚石涂层PVD设备主要是通过单一的磁控溅射技术与等离子体离化碳氢气体相结合，利用PECVD(等离子辅助化学气相沉积)技术沉积获得类金刚石涂层，一方面此类设备粒子源沉积速率低，生产效率低，另一方面此类设备离化率低，类金刚石涂层表面结构疏松，成膜质量差。现有的磁控溅射阴极制备类金刚石涂层装置，其类金刚石涂层结构达不到良好效果的主要原因就是磁控溅射过程中的粒子离化率低，同时溅射过程中受磁场的影响，靶面刻蚀沟道影响靶材的使用寿命，增大了类金刚石涂层的制备成本。

现有的工业化生产的类金刚石涂层主要时通过利用常规辉光放电制备而成的，利用高偏压施加于转架之上，利用高电压所形成的气体之间的辉光放电对碳氢气体进行离化，离化的碳粒子沉积在电场的作用下沉积在待镀工件上。这种方式的主要缺点包括：一、沉积速率慢、非类金刚石相多，常规辉光放电碳氢气体离化率低，离子能量低，形成的类金刚石涂层中，非SP3键含量高；二、待镀工件易打火，良品率低，施加高偏压，沉积绝缘涂层，待镀工件上易出现电子聚集打火，影响待镀工件表面涂层质量及良品率。

因此，如何解决上述问题，是本来领域技术人员着重要研究的内容。

发明内容

为克服上述现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法；该方法有助于提高类金刚石涂层成膜质量及生产效率。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法，包括以下步骤：

第一步，待镀工件的等离子清洗：所述等离子清洗为将真空腔室抽至本底真空5E-3pa以下时，通入流量为50-500sccm的氩气及流量为50-500sccm氢气，随后启动弧光强流热电子装置中的电弧离子镀弧源，电流80-120A，中心阳极接弧电源正极，在20-500V的偏压梯度，利用氩离子及氢离子对待镀工件进行清洗，随后关闭氢气，利用氩气对待镀工件进行表面活化及清洗；

第二步，打底过渡层的沉积:所述打底过渡的沉积为利用电磁增强磁控溅射阴极及中心阳极所形成的环形闭合磁场及正交电磁场实现打底过渡层的沉积；所述电磁增强磁控溅射阴极为四组，其中两组金属Cr靶，两组WC靶；将第一步中等离子体清洗过程后的待镀工件将进行以下步骤：

A、先开启金属Cr靶，调节金属Cr靶功率为5-20kw，转架上施加1-100V的负偏压，中心阳极施加1-25V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，在环形闭合磁场及正交电磁场的作用下沉积厚度为0-1um的金属打底过渡Cr层；

B、随后开启WC靶，并通过调节靶功率实现金属Cr及WC的复合梯度层，其中金属Cr靶的功率从5-20Kw降至1-5Kw，WC靶功率从1-5Kw升至5-20kw；转架上施加1-100V的负偏压，中心阳极施加1-25V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，在环形闭合磁场及正交电场的作用下沉积一定厚度0-2um的梯度复合层；随后以稳定的靶功率参数沉积厚度为0-3um的复合层，其中WC靶功率为5-20kw，金属Cr靶功率为1-5Kw；

C、然后再通入流量为0-300sccm的乙炔，关闭金属Cr靶，WC靶功率为5-20Kw，转架上施加0-100V的负偏压，中心阳极施加1-50V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，在环形闭合磁场及正交电场的作用下沉积厚度为0-2um的梯度WC-H层；随后以稳定的靶功率及气体流量参数沉积厚度为0-3um的WC-H层，其中WC靶功率为5-20kw，乙炔流量为150-300sccm；

第三步，类金刚石涂层的沉积：类金刚石涂层是通过热电子等离子体技术制备而成，热电子等离子体技术包括弧光强流热电子及灯丝热电子，其中弧光强流热电子是通过利用弧光放电中弧源前放置挡板，并且弧源正极接中心阳极，挡板遮挡住放电过程产生的离子、大颗粒等粒子，而电子将绕过挡板向中心阳极运动，从而大量的热电子被引出；灯丝热电子是通过大束流经过高熔点的灯丝，灯丝受热大量电子会溢出，同时灯丝上将叠加一个负电压，与灯丝位置相对应的阳极上施加正电压，受热溢出的热电子在电场作用下将从灯丝装置中被引出；被引出的热电子在向阳极运动的过程中，受磁场及电场的作用，电子将会与气体发生碰撞，并对其离化，从而可将碳氢气体离化在待镀工件表面沉积类金刚石涂层。

进一步地，所述第一步中，待镀工件的等离子清洗为灯丝热电子清洗，待真空腔室抽至本底真空5E-3pa以下时，通入100-500sccm的氩气，灯丝通入150-180A大束流电流，随后开启阳极电源，阳极上施加+10-+50V的正电压，热电子受电场作用被引出，转架上施加40-500V梯度的偏压，利用离化的氩离子对待镀工件进行活化及清洗。

进一步地，所述第三步中，利用弧光强流热电子沉积类金刚石涂层，待打底过渡层沉积完成后，关闭WC靶，氩气流量控制为50-200sccm，乙炔流量为100-500sccm，电磁增强线圈电流为1-5A，中心阳极接弧电源正极，转架偏压为40-400V，启动弧光强流热电子装置中的电弧离子镀弧源，电流80-120A，引出的热电子离化碳氢气体，在待镀工件上获得类金刚石涂层。

进一步地，所述第三步中，利用灯丝热电子沉积类金刚石涂层，待打底过渡层沉积完成后，关闭WC靶，氩气流量控制为100-300sccm，乙炔流量为200-700sccm，电磁增强线圈电流为1-5A，灯丝阳极接10-50V的电源正极，转架偏压为20-400V，灯丝上的大电流为150-180A，受灯丝阳极电场作用大量热电子被引出，引出的热电子离化碳氢气体，在待镀工件上获得类金刚石涂层。

进一步地，所述灯丝热电子为单个灯丝组件及底部阳极，或为多个灯丝组件及中心阳极。

进一步地，所述灯丝热电子的阳极加载电源的控制方式为恒压模式的电压控制或恒流模式的电流控制。

进一步地，所述电磁增强磁控溅射阴极为非平衡磁控溅射阴极及装配在阴极上的电磁线圈，所述电磁线圈可以为单个套装在磁控溅射阴极安装法兰上的电磁增强外线圈和套装在磁靴组件上的电磁增强内线圈，也可以为同时装配在磁控溅射阴极安装法兰上的电磁增强外线圈和电磁增强内线圈，其中所述电磁增强外线圈施加直流电源，所述电磁增强内线圈既可以施加直流电源，也可以为电压可调、波形可选、频率可调的脉冲线圈，其所述脉冲线圈的波形包括矩形波、三角波、正旋波、余旋波。

进一步地，类金刚石涂层包括打底过渡层及类金刚石涂层，其中打底过渡层是利用多组电磁增强磁控溅射阴极及中心阳极形成的闭合磁场及正交的电磁场制备而成，具体来说是通过多组电磁增强的磁控溅射阴极所形成的环形闭合磁场，利用辉光溅射靶材原子，环形闭合磁场及中心阳极的存在增大了电子的运动行程及碰撞次数，提高了溅射速率及粒子离化率，从而获得较好结合力的打底过渡层；

类金刚石涂层是通过热电子等离子体技术制备而成，热电子等离子体技术包括弧光强流热电子及灯丝热电子，其中弧光强流热电子是通过利用弧光放电中弧源前放置挡板，并且弧源正极接中心阳极，挡板遮挡住放电过程产生的离子、大颗粒等粒子，而电子将绕过挡板向中心阳极运动，从而大量的热电子被引出；灯丝热电子是通过大束流经过高熔点的灯丝，灯丝受热大量电子会溢出，同时灯丝上将叠加一个负电压，与灯丝位置相对应的阳极上施加正电压，受热溢出的热电子在电场作用下将从灯丝装置中被引出；被引出的热电子在向阳极运动的过程中，受磁场及电场的作用，电子将会与气体发生碰撞，并对其离化，从而可将碳氢气体离化在待镀工件表面沉积类金刚石涂层；被引出的热电子不仅可以沉积制备类金刚石涂层，还可以作为电子源对待镀工件表面进行辉光清洗，利用被引出的电子离化氩气及氢气，并配合转架上偏压，大量气体阳离子轰击转架上的待镀工件，可实现转架上待镀工件的高效清洗。

本发明的工作原理为：通过对优化设计的磁控溅射阴极套装电磁增强线圈，并利用电磁增强磁控溅射阴极环形闭合磁场，并与中心阳极上施加的正电场相互作用，可极大的拉长电子的运动行程，增大电子与气体原子、溅射粒子的碰撞几率，增大等离子体的浓度，提高溅射粒子的离化率，从而有更多的气体离子轰击待镀工件表面，增大梯度层的结合力及致密性；同时弧光放电中的热电子及灯丝受热溢出的热电子受电场作用引出，引出的热电子与工艺气体发生碰撞，在闭合磁场及中心阳极的电磁场作用下，高能电子相较于常规辉光放电产生的电子能量高、束流大，可高效离化工艺气体，既可以轰击待镀工件，对待镀工件完成清洗及表面活化，还可以大束流离化碳氢气体，在待镀工件表面沉积获得类金刚石涂层，沉积过程中的其他工艺气体轰击待镀工件表面，有益于提升涂层的致密性，优化涂层结构。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的有益效果如下：

本发明提供的热电子等离子体制备类金刚石涂层，具有如下实质性区别和显著性进步：

1)利用环形闭合磁场及正交电磁场提高电子的运动行程，可极大的提高粒子的离化率。

2)利用电磁增强磁控溅射阴极可有效的增大环形闭合磁场的强度，同时电磁线圈与磁靴相互作用可有效的提高靶材利用率，降低生产成本。

3)利用环形闭合磁场及电磁增强磁控溅射技术制备的梯度涂层结构致密，表面细腻。

4)利用热电子形成的等离子体制备类金刚石涂层，其沉积速率可提高5-10倍，其表面光洁度、结构致密性、Sp3含量都有很大的提高。

5)利用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层，结构简单，效率高，极大的缩短了类金刚石涂层的生产周期。

总之，本发明所提供的热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法不仅提高了清洗过程中的清洗束流，而且降低了辉光清洗电压，有效的抑制了待镀工件转架打火，提高良品率；不仅可提高类金刚石涂层打底过渡层的粒子沉积速率，从而提高生产效率，而且还可以改善磁控溅射阴极的溅射过程，增大刻蚀区域，提高靶材利用率；不仅提高了类金刚石涂层乙炔气体的离化率，提升沉积效率，而且高能阳离子轰击待镀工件，提升涂层致密性、结合力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法的装置的结构示意图；

图2为本发明热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法的装置的侧视图；

图3为本发明实施例中圆灯丝组件接电示意图；

图4为本发明实施例中矩形灯丝组件接电示意图；

图5为本发明实施例中弧光强流热电子组件接电示意图；

图6为本发明实施例中环形闭合磁场示意图。

具体实施方式

以下结合附图，由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。

为便于描述，本发明中用到的粗抽系统及部分精抽系统、磁控溅射、中心阳极、弧流热丝组件、灯丝组件及其他放电装置的内部结构进行了简化处理，一些传动过程中的轴承及部分密封圈等没有画出。

基本结构说明：

参见图1、图2所示：本发明所述热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法的装置包括内切正八角机腔体、转架组件10、圆灯丝组件11、电磁增强磁控溅射阴极组件12、弧光强流热电子组件13、中心阳极14、矩形灯丝组件15、圆灯丝底部阳极16，其中电磁增强磁控溅射阴极12包括磁控溅射阴极120、电磁增强外线圈121、电磁增强内线圈122；内切正八角机腔体的上四组磁控溅射阴极组件12均匀装配在内切正八角机腔体的四个面上，弧光强流热电子组件13及矩形灯丝组件15装配在两组磁控溅射阴极组件12之间，磁控溅射阴极120的磁靴上可套装电磁增强内线圈122，磁控溅射阴极120安装法兰上可套装电磁增强外线圈121；圆灯丝11装配在真空腔体的门上端面，并与圆灯丝底部阳极16同心，圆灯丝底部阳极16装配在门下端面。

参见图6所示：正八面体真空腔体包括真空腔及门，其中八个内切圆面上分别设置为抽气口、磁控溅射阴极001(N)、磁控溅射阴极002(S)、观察窗、磁控溅射阴极003(N)、磁控溅射阴极004(S)，磁控溅射阴极001、磁控溅射002、磁控溅射003、磁控溅射阴极004之间可形成环形闭合磁场。

图3、图4、图5所示：圆灯丝组件11及圆灯丝底部阳极16配合使用，其中大束流灯丝电源接通圆形灯丝的两端，同时阳极电源负极叠加在灯丝上，底圆灯丝部阳极上联通阳极电源正电极；弧光强流热电子装置包括三个电弧离子镀弧源及中心阳极，其中中心阳极上将连接弧源电源的正极，电弧离子镀弧源阴极体上连接弧源电源负极，弧源前放置的挡板电位悬浮；多组灯丝组成的矩形灯丝组件上，每个灯丝分别接通灯丝电源，同时灯丝上叠加阳极电源的负极，中心阳极上联通阳极电源正极。

所述热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法的装置其主要是通过利用电磁增强磁控溅射阴极形成的闭合磁场以及与中心阳极相互作用形成正交电磁场电子在环形闭合磁场及正交电磁场中受约束作用发生螺旋运动，将会增大电子的运动行程，从而增大与溅射粒子、辉光放电气体粒子的碰撞几率，增大了等离子体强度，提高了粒子的离化率，从而能够更好的增加溅射粒子的离化率，提高类金刚石涂层打底过渡层的致密性、结合力，同时利用中心阳极及底部阳极的存在将弧光强流热电子及灯丝热电子引出，在电场及磁场的作用下，高效离化工艺气体，从而实现高效的等离子体清洗及类金刚石涂层的制备。

说明：圆灯丝组件及圆灯丝底部阳极、弧光强流热电子组件、矩形灯丝组件三种都可以实现热电子的引出，其实际应用中只需配置一种结构即可完成，本装备中三种全部配置是为了说明热电子等离子体制备类金刚石涂层的方法的装备说明过程。

下面将结合具体的类金刚石涂层制备工艺对这三种热丝等离子体的引出进行具体说明。

实施例一圆灯丝组件热电子等离子体制备类金刚石涂层制备方法

参见图1所示：圆灯丝组件热电子等离子体制备类金刚石涂层制备方法的镀膜装备配置如下，所使用的电磁增强磁控溅射阴极组件12为四组，其中两组装配金属Cr靶，两组装配 WC靶，四组磁控溅射阴极组件12装配有电磁增强线圈121、122，柱形中心阳极13及圆灯丝组件11、圆灯丝底部阳极16分别装配在腔体的上中心位置、门上端面及门的下端面上，在热电子辉光放电过程中，热电子被圆灯丝底部阳极16引出，热电子在环形闭合磁场的作用下，会受到底部阳极电场作用，被吸引到底部水冷阳极上，在电子运动过程中，会有工艺气体发生碰撞，从而离化气体，高效轰击待镀工件表面，完成等离子清洗；同时磁控溅射辉光放电过程中，磁控溅射放电过程中的电子在环形闭合磁场及电场的作用下，会受到电场作用，被吸引到水冷阳极上，在电子运动过程中，由于受到正交约束，会与工艺气体、溅射粒子发生大量碰撞，这一过程中有效的提高了溅射速率及溅射粒子的离化率；随后的热电子等离子体制备类金刚石涂层中，热电子被圆灯丝底部阳极16引出，热电子在环形闭合磁场的作用下，会受到电场作用，被吸引到底部水冷阳极上，在电子运动过程中，会与碳氢气体发生碰撞，正交电场及环形闭合磁场将极大的增加电子的自由程，与更多的粒子发生碰撞，以此获得高质的类金刚石涂层。

类金刚石涂层制备方法主要包括如下：

本实施例以金属靶Cr、合金靶WC为例，对发明方法进行叙述。

前处理过程：对待镀基体进行表面超声波清洗，即将待镀基体放入带有超声波清洗器的清洗槽中除油除蜡，漂洗完毕后烘干备用。所述基体为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、模具钢等材料。

装载：将经上述清洗的待镀基体放入真空室中。

工艺过程如表1所述：

表1

该表1的过程具体描述如下：

将待镀基体放入内切正八角机真空腔室中，该镀膜机配置单个圆灯丝组件及底部阳极，两组金属Cr靶，两组硬质合金WC靶，间隔放置，并可实现闭合的环形磁场；真空腔体中心装配柱形中心阳极；其中电磁增强磁控溅射阴极的内外线圈为直流模式，底部阳极控制模式为恒流控制。

对镀膜机的真空室抽真空后通入氩气，开启磁控溅射阴极上的电磁增强线圈2.5A，中心阳极+15V，通入氩气、氢气，压强控制在5pa左右，开启圆灯丝组件150A，底部阳极电流50A，偏压电源40V，利用热电子辉光放电，通过离子清洗待镀产品表面，活化基体，其中先利用氩气氢气的混合气体，以一定的梯度调节偏压40-100V，底部阳极电流30-70A，随后以稳定的偏压及底部阳极电流进行清洗，然后关闭氢气，增大氩气流量，以一定的梯度调节偏压100-250V，随后以稳定的偏压进行清洗；待清洗完成后，关闭圆灯丝及底部阳极，启动2组磁控溅射Cr靶，靶功率15Kw，氩气200sccm，电磁增强线圈电流调节位3A，偏压降至 20V，沉积一定厚度(0-1um)的金属打底过渡层，待金属打底过渡层工艺结束后，利用一定的梯度调节金属Cr靶靶功率及硬质合金WC靶靶功率(Cr靶15-2Kw，WC靶2-15Kw后稳定沉积)，沉积有一定厚度(0-2um)的金属Cr与WC的混合梯度层，待沉积到一定厚度时，关闭金属Cr靶，通过梯度调节碳氢气体的组分(碳氢气体20-200sccm，后稳定沉积)沉积一定厚度(0-3um)的WC-H梯度层，待沉积到一定厚度时，关闭硬质合金WC靶，开启磁控溅射阴极上的电磁增强线圈2.5A,中心阳极+15V，通入乙炔500sccm，氩气200sccm，压强控制在 5pa左右，开启圆灯丝电流180A，底部阳极电流60A，利用灯丝溢出的热电子在环形闭合磁场及正交电场作用下产生的高能等离子体辉光放电离化碳氢气体，从而获得一定厚度的类金刚石涂层。

卸载：待工艺结束后，关闭负偏压、电磁增强线圈、中心阳极、上下纵向线圈，停止通入碳氢气体、氩气，待所述涂层冷却后，向真空室内通入空气，恢复大气压，打开真空室门，取出镀覆好的基体。

上述类金刚石涂层的制备方法通过利用电磁增强磁控溅射形成的环形闭合磁场，及与中心阳极所形成的正交电磁场使辉光放电中的部分电子增加有效行程，从而增加溅射粒子的离化率，一方面增大了溅射区域，另一方面极大的提高了溅射粒子的离化率，有效的提升了打底过渡层的质量；中心阳极的存在提高了电子的运动速度及行程，增大了电子的有效碰撞次数，提升了等离子体的浓度，另一方面圆形灯丝组件所产生的热电子等离子体降低了辉光放电中的放电电压，提升了清洗效果，更重要的是提升了碳粒子的离化率、减少了碳聚集的效果，极大的提升了类金刚石涂层中SP3的含量。

说明：本制备方法中所述的梯度指在一定时间(工艺时间的30％)内工艺参数从一个值线性变化为另一个值，随后稳定沉积一段时间。

实施例二：

矩形灯丝组件热电子等离子体制备类金刚石涂层制备方法

本实施例与实施例一的主要区别是，利用矩形灯丝组件对该类金刚石涂层制备过程中的待镀工件的清洗过程及类金刚石涂层的制备，同时电磁增强线圈仅使用套装在磁控溅射阴极法兰上的外线圈；矩形灯丝组件上装配有六组灯丝，其中1、3、5串联，2、4、6串联，两组灯丝将周期性使用，中心阳极上的灯丝阳极电源将使用恒压模式。

具体工艺如下：

本实施例以金属靶Cr、合金靶WC为例，对发明方法进行叙述。

前处理过程：对待镀基体进行表面超声波清洗，即将待镀基体放入带有超声波清洗器的清洗槽中除油除蜡，漂洗完毕后烘干备用。所述基体为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、模具钢等材料。

装载：将经上述清洗的待镀基体放入真空室中，离子源与磁控溅射金属靶间隔装配在腔室上，中心阳极装配在上顶板上，纵向电磁线圈装配在上下中心位置。

工艺过程如表2所述：

表2

该表2的工艺过程与表1的主要区别就是利用多个灯丝组件所形成的矩形灯丝组件代替单个圆形灯丝组件，并直接利用中心阳极作为热电子的引出阳极，同时电磁增强仅装配套装在磁控溅射阴极安装法兰上的外线圈作为电磁增强线圈。

上述类金刚石涂层的制备方法通过利用电磁增强磁控溅射形成的环形闭合磁场，及中心阳极所形成的正交电磁场使辉光放电中的部分电子增加有效行程，从而增加溅射粒子的离化率，一方面增大了溅射区域，另一方面极大的提高了溅射粒子的离化率，有效的提升了打底过渡层的质量；中心阳极的存在提高了电子的运动速度及行程，增大了电子的有效碰撞次数，提升了等离子体的浓度，另一方面矩形灯丝组件所产生的热电子等离子体降低了辉光放电中的放电电压，提升了清洗效果，更重要的是提升了碳粒子的离化率、减少了碳聚集的效果，极大的提升了类金刚石涂层中SP3的含量。

说明：本制备方法中所述的梯度指在一定时间(工艺时间的30％)内工艺参数从一个值线性变化为另一个值，随后稳定沉积一段时间。

实施例三：

弧光强流热电子等离子体技术制备类金刚石涂层制备方法

弧光强流热电子等离子体制备类金刚石涂层镀膜装备配置如下：所使用的电磁增强磁控溅射阴极为四组，其中两组装配金属Cr靶，两组装配WC靶，四组磁控溅射阴极装配有电磁增强内线圈，中心阳极装配在腔体上端的中心位置，弧光强流热电子装置装配在腔体侧边，弧源前端装配有悬浮电位的挡板；在弧光放电过程中，弧光强电子流被中心阳极引出，热电子在环形闭合磁场与阳极电场的正交作用下，被吸引到中心阳极上，在电子运动过程中，会与工艺气体发生大量碰撞，从而离化气体，高效轰击待镀工件表面，完成等离子清洗；同时磁控溅射辉光放电过程中，磁控溅射放电过程中的电子在环形闭合磁场及阳极电场的正交作用下，被吸引到中心阳极上，在电子运动过程中，会与工艺气体、溅射粒子发生碰撞，在这一过程中有效的提高了溅射速率及溅射粒子的离化率；随后的热电子等离子体制备类金刚石涂层中，弧光放电中的热电子被中心阳极引出，热电子在环形闭合磁场及阳极电场的正交作用下，被吸引到水冷阳极上，在电子运动过程中，会与碳氢气体发生大量碰撞，正交电场及环形闭合磁场将极大的增加电子的自由程，与更多的粒子发生碰撞，以此获得高质的类金刚石涂层。

本实施例与实施例一及实施例二的区别是利用弧光放电中的热电子进行类金刚石涂层的制备，同时电磁增强线圈仅装配电磁增强内线圈。

类金刚石涂层制备方法主要包括如下：

本实施例以金属靶Cr、合金靶WC为例，对发明方法进行叙述。

前处理过程：对待镀基体进行表面超声波清洗，即将待镀基体放入带有超声波清洗器的清洗槽中除油除蜡，漂洗完毕后烘干备用。所述基体为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、模具钢等材料。

装载：将经上述清洗的待镀基体放入真空室中，离子源与磁控溅射金属靶间隔装配在腔室上，中心阳极装配在上顶板上，螺旋管中心阳极套装在真空腔体上端中心处。

工艺过程如表3所述：

表3

该表3的过程具体描述如下：

将待镀基体放入内切正八角机真空腔室中，该镀膜机配置2组金属Cr靶，2组硬质合金 WC靶，弧光强流热电子组件装配在腔体侧面，相邻两组磁控溅射阴极，并可实现闭合的环形磁场；真空腔体中心装配中心阳极。

对镀膜机的真空室抽真空后通入氩气，开启磁控溅射阴极上的电磁增强内线圈,参数为 (-10至+15V，频率5HZ)，中心阳极接弧源电源正极，开启弧光强流热电子组件上的电弧，通入氩气，压强控制在3pa左右，开启偏压电源20V，利用弧光电子流激发辉光放电，通过离子清洗待镀产品表面，活化基体，其中先利用氩气氢气的混合气体，以一定的梯度调节偏压20-60V,随后以稳定的偏压，然后关闭氢气，增大氩气流量，以一定的梯度调节偏压60-200V，随后以稳定的偏压进行清洗；

待清洗完成后，关闭弧光强流热电子组件，启动2组磁控溅射Cr靶，靶功率15Kw，氩气200sccm，电磁增强线圈内参数调节为(+2-+15v，频率5HZ)，偏压降至20V，沉积一定厚度(0-1um)的金属打底过渡层，待金属打底过渡层工艺结束后，利用一定的梯度调节金属 Cr靶靶功率及硬质合金WC靶靶功率(Cr靶15-2Kw，WC靶2-15Kw后稳定沉积)，沉积有一定厚度(0-2um)的金属Cr与WC的混合梯度层，待沉积到一定厚度时，关闭金属Cr靶，通过梯度调节碳氢气体的组分(碳氢气体20-200sccm，后稳定沉积)沉积一定厚度(0-2um) 的WC-H梯度层；

待沉积到一定厚度时，关闭硬质合金WC靶，调节磁控溅射阴极上的电磁增强内线圈参数为(-10至+15V，频率5HZ),通入乙炔600sccm，氩气300sccm，压强控制在5pa左右，开启弧光强流热电子组件，利用弧光放电中的热电子在环形闭合磁场及正交电磁场作用下产生的高能等离子体辉光放电离化碳氢气体，从而获得一定厚度的类金刚石涂层。

卸载：待工艺结束后，关闭负偏压、电磁增强线圈、中心阳极、上下纵向线圈，停止通入碳氢气体、氩气，待所述涂层冷却后，向真空室内通入空气，恢复大气压，打开真空室门，取出镀覆好的基体。

上述类金刚石涂层的制备方法通过利用电磁增强磁控溅射形成的环形闭合磁场，及中心阳极所形成的正交电磁场使辉光放电中的部分电子增加有效行程，从而增加溅射粒子的离化率，一方面增大了溅射区域，另一方面极大的提高了溅射粒子的离化率，有效的提升了打底过渡层的质量；中心阳极的存在提高了电子的运动速度及行程，增大了电子的有效碰撞次数，提升了等离子体的浓度；另一方面弧光强流热电子组件所产生的热电子等离子体降低了辉光放电中的放电电压，提升了清洗效果，更重要的是提升了碳粒子的离化率、减少了碳聚集的效果，极大的提升了类金刚石涂层中SP3的含量。

说明：本制备方法中所述的梯度指在一定时间(工艺时间的30％)内工艺参数从一个值线性变化为另一个值，随后稳定沉积一段时间。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，待镀工件的等离子清洗：所述等离子清洗为将真空腔室抽至本底真空5E-3pa以下时，通入流量为50-500sccm的氩气及流量为50-500sccm氢气，随后启动弧光强流热电子装置中的电弧离子镀弧源，电流80-120A，中心阳极接弧电源正极，在20-500V的偏压梯度，利用氩离子及氢离子对待镀工件进行清洗，随后关闭氢气，利用氩气对待镀工件进行表面活化及清洗；

第二步，打底过渡层的沉积: 所述打底过渡的沉积为利用电磁增强磁控溅射阴极及中心阳极所形成的环形闭合磁场及正交电磁场实现打底过渡层的沉积；所述电磁增强磁控溅射阴极为四组，其中两组金属Cr靶，两组WC靶；将第一步中等离子体清洗过程后的待镀工件将进行以下步骤：

、先开启金属Cr靶，调节金属Cr靶功率为5-20kw，转架上施加1-100V的负偏压，中心阳极施加1-25V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，在环形闭合磁场及正交电磁场的作用下沉积厚度为0-1um的金属打底过渡Cr层；

B、随后开启WC靶，并通过调节靶功率实现金属Cr及WC的复合梯度层，其中金属Cr靶的功率从5-20Kw降至1-5Kw，WC靶功率从1-5Kw升至5-20kw；转架上施加1-100V的负偏压，中心阳极施加1-25V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，在环形闭合磁场及正交电场的作用下沉积一定厚度0-2um的梯度复合层；随后以稳定的靶功率参数沉积厚度为0-3um的复合层，其中WC靶功率为5-20kw，金属Cr靶功率为1-5Kw；

C、然后再通入流量为0-300sccm的乙炔，关闭金属Cr靶，WC靶功率为5-20Kw，转架上施加0-100V的负偏压，中心阳极施加1-50V的正电压，磁控溅射阴极上装配的电磁增强线圈电流为1-5A，在环形闭合磁场及正交电场的作用下沉积厚度为0-2um的梯度WC-H层；随后以稳定的靶功率及气体流量参数沉积厚度为0-3um的WC-H层，其中WC靶功率为5-20kw，乙炔流量为150-300sccm；

第三步，类金刚石涂层的沉积：类金刚石涂层是通过热电子等离子体技术制备而成，热电子等离子体技术包括弧光强流热电子及灯丝热电子，其中弧光强流热电子是通过利用弧光放电中弧源前放置挡板，并且弧源正极接中心阳极，挡板遮挡住放电过程产生的离子、大颗粒等粒子，而电子将绕过挡板向中心阳极运动，从而大量的热电子被引出；灯丝热电子是通过大束流经过高熔点的灯丝，灯丝受热大量电子会溢出，同时灯丝上将叠加一个负电压，与灯丝位置相对应的阳极上施加正电压，受热溢出的热电子在电场作用下将从灯丝装置中被引出；被引出的热电子在向阳极运动的过程中，受磁场及电场的作用，电子将会与气体发生碰撞，并对其离化，从而可将碳氢气体离化在待镀工件表面沉积类金刚石涂层。

2.根据权利要求1所述的采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法，其特征在于：所述第一步中，待镀工件的等离子清洗为灯丝热电子清洗，待真空腔室抽至本底真空5E-3pa以下时，通入100-500sccm的氩气，灯丝通入150-180A大束流电流，随后开启阳极电源，阳极上施加+10-+50V的正电压，热电子受电场作用被引出，转架上施加40-500V梯度的偏压，利用离化的氩离子对待镀工件进行活化及清洗。

3.根据权利要求1所述的采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法，其特征在于：所述第三步中，利用弧光强流热电子沉积类金刚石涂层，待打底过渡层沉积完成后，关闭WC靶，氩气流量控制为50-200sccm，乙炔流量为100-500sccm，电磁增强线圈电流为1-5A，中心阳极接弧电源正极，转架偏压为40-400V，启动弧光强流热电子装置中的电弧离子镀弧源，电流80-120A，引出的热电子离化碳氢气体，在待镀工件上获得类金刚石涂层。

4.根据权利要求1所述的采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法，其特征在于：所述第三步中，利用灯丝热电子沉积类金刚石涂层，待打底过渡层沉积完成后，关闭WC靶，氩气流量控制为100-300sccm，乙炔流量为200-700sccm，电磁增强线圈电流为1-5A，灯丝阳极接10-50V的电源正极，转架偏压为20-400V，灯丝上的大电流为150-180A，受灯丝阳极电场作用大量热电子被引出，引出的热电子离化碳氢气体，在待镀工件上获得类金刚石涂层。

5.根据权利要求4所述的采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法，其特征在于：所述灯丝热电子为单个灯丝组件及底部阳极，或为多个灯丝组件及中心阳极。

6.根据权利要求4所述的采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法，其特征在于：所述灯丝热电子的阳极加载电源的控制方式为恒压模式的电压控制或恒流模式的电流控制。

7.根据权利要求1所述的采用热电子等离子体技术制备类金刚石涂层的方法，其特征在于：所述电磁增强磁控溅射阴极为非平衡磁控溅射阴极及装配在阴极上的电磁线圈，所述电磁线圈可以为单个套装在磁控溅射阴极安装法兰上的电磁增强外线圈和套装在磁靴组件上的电磁增强内线圈，也可以为同时装配在磁控溅射阴极安装法兰上的电磁增强外线圈和电磁增强内线圈，其中所述电磁增强外线圈施加直流电源，所述电磁增强内线圈既可以施加直流电源，也可以为电压可调、波形可选、频率可调的脉冲线圈，其所述脉冲线圈的波形包括矩形波、三角波、正旋波、余旋波。