CN110760814A - 电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用 - Google Patents

电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其中所述钢化加强膜以碳氢气体CxHy作为沉积反应气体原料，通过PECVD工艺在一基体的表面沉积形成，所述钢化加强膜适于被应用于电子设备屏表面，增强电子设备屏的刚性。

Description

电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用
技术领域
本发明涉及电子设备以及表面改性领域，更进一步，涉及电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用。
背景技术
随着科技的不断发展，各种智能电子设备，越广泛的应用在人们生活中，而不同电子设备也在不断的更新换代。以智能手机为例，智能手机在不断提高智能化水平的同时，其结构以及硬件设备也在不断变化。
新一代5G手机特别是全屏或者全屏曲面手机、柔性屏手机等不但要求高透光性、高硬度耐磨性，还要求耐抗摔性。根据最近的一次Toluna全球消费者调查数据表明，人们平均每年要摔落7次手机。而全屏或全面屏手机的屏幕面积较大，屏占比高，手机屏侧边的保护一般也较少，根据Griffith微裂纹理论，实际材料中总存在许多细小的裂纹或缺陷，在外力作用下，这些裂纹和缺陷附近就会产生应力集中现象，当应力达到一定程度时，裂纹就开始扩展而导致断裂。因此全屏手机的Griffith的裂纹也更多，屏幕抗摔性能变得更差。从2007年苹果公司第1代智能手机即选择了Corning公司生产的Gorilla Class 1超薄玻璃，用一步法离子交换进行化学增强后作为面板，此后，为了改善性能，Corning公司陆续推出了的Gorilla Class 2、Gorilla Class 3、Gorilla Class 4、Gorilla Class 5，在2018年7月份更是推出了Gorilla Glass 6。
专利AU2011212982中公开了一种用于便携式电子设备的盖体的增强的化学强化玻璃，将玻璃放到架子上，置于一定浓度离子浴中进行离子交换。玻璃表面的一些Na+离子被体积比较大的碱金属K+离子置换出来，以强化表面区域。此外，还可进行双交换处理，即靠近玻璃片外侧表面的区域，碱金属离子可以被Na+离子置换出来，以去除外侧表面区域的一些压缩应力，提高玻璃的韧性。但同时先前交换进入玻璃片中的底层碱金属离子却仍然保留在下表面区域中。采用化学增强方法是目前市场上提高玻璃抗摔性能的主要手段，但这种方法一般需要先用HF和硫酸等进行净化，而且采用的离子浴一般温度要达到300℃以上，为了获得增强效果往往需要长达6个小时以上的离子交换时间，耗时费成本。这种玻璃在市面上的价格一般需要几美元以上。
另一方面，对于大部分的智能设备，其为了降低价格，采用的屏幕也是相对便宜的，而这些屏幕的刚性也相对较差，也就是说，屏幕更不耐摔。对于普通的使用者，为了保护电子设备的屏幕，都不得不在屏幕上再贴一层保护膜，这种方法虽然在一定程度上可以起到保护作用，但是对于屏幕本身的刚性并没有很大改变，且由于保护膜是贴附于表面，与屏幕的结合度较低，因此并不能起到很好的保护作用。这种保护膜是单独制造形成，厚度相对较厚，在贴附于屏幕后，在一定程度上会影响屏幕的透光率，且会影响触控操作的准确性和用户的手感。
此外，电子设备的屏幕边缘趋向弧形，因此贴膜只能覆盖屏幕主表面，而边缘位置通常都是留有一定的空隙，而这些位置正是在受损过程中裂纹易于产生的弱点位置。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在一电子设备屏表面形成一类金刚石薄膜(Diamond Like Carbon，DLC)，以改善所述电子设备屏的表面性能。
本发明的一个目的在于提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其中所述钢化加强膜能够改善所述电子设备屏的表面刚性、耐摔性能以及耐摩擦性能。
本发明的一个目的在于提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其中所述钢化加强膜能够沉积于电子屏幕的边缘区域，减少屏幕边缘产生Griffith裂纹，也就是说，所述钢化加强膜能够全面覆盖所述电子设备屏。
本发明的一个目的在于提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其中PECVD沉积过程温度较低，不影响电子设备的性能，也就是说，所述钢化加强膜能够在电子设备制成后沉积形成。
本发明的一个目的在于提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其中PECVD沉积过程反应时间较短，沉积效率较高。
本发明的一个目的在于提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其采用碳氢气体CxHy作为反应气体原料来形成DLC膜，利用射频和高压脉冲共同作用来完成PECVD沉积过程。
本发明的一个目的在于提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其中射频和高压脉冲的共同作用增强沉积效率，使得在电子设备屏幕表面能够有效沉积形成保护膜。
本发明的一个目的在于提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其利用低功率射频放电维持等离子体环境，抑制高压放电过程的弧光放电，由此提高化学沉积效率。
本发明的一个目的在于提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其在电子设备屏幕表面直接沉积形成膜层，不需要进行漫长的离子交换过程，也不需要进行离子浴，制备过程简单、反应时间短、成本较低。
本发明的一个目的在于提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其沉积反应温度低，可在常温进行，适于不耐高温的电子设备或者其它基体。
本发明的一个目的在于提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其能够通过控制射频和高压脉冲的放电特性、反应气体的流量以及镀膜时间等工艺参数，来获得目标钢化加强膜。
本发明的一个目的在于提供一电子设备屏及其钢化加强膜及其制备方法，其中所述钢化加强膜是纳米膜，且具有良好的透光性，具有増透和保护作用。
为了实现以上至少一目的，本发明的一方面提供一钢化加强膜，其以碳氢气体CxHy作为沉积反应气体原料，通过PECVD工艺在一基体的表面沉积形成。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜，其中x为1-10的整数，y为1-20的整数。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜，其中所述碳氢气体CxHy选自常压下为气态的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙炔中的其中一种或多种。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜，其中所述碳氢气体CxHy选自经过减压或者加热蒸发形成的苯蒸气、甲苯蒸气中的其中一种或多种。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜，其中在进行PECVD工艺时，加入一等离子体源气体，以激活所述反应气体原料的沉积反应。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜，其中所述等离子体源气体选自惰性气体、氮气、氟碳气体中的其中一种或多种。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜，其中在进行PECVD工艺时，加入一辅助气体，与所述反应气体原料共同沉积反应，其中所述辅助气体是氢气，以调节所述钢化加强膜中的C-H键含量。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜，其中所述氢气的含量≤40％。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜，其中在进行PECVD工艺时，射频和高压脉冲共同作用沉积形成所述钢化加强膜。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜，其中所述射频功率范围为10～800W，高压脉冲电源电压-100V～-5000V，脉冲占空比10％～80％。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜，其中所述基体是一电子设备屏。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜，其中所述电子设备选自于智能手机、平板电脑、电子阅读器、可穿戴设备、电视机、电脑显示屏中的一种。
本发明的另一方面提供一钢化加强膜制备方法，其特征在于，以碳氢气体CxHy作为沉积反应气体原料，通过一PECVD装置在一基体表面进行等离子体增强化学气相沉形成。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中在进行PECVD工艺时，加入一等离子体源气体，以激活所述反应气体原料的沉积反应。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中所述等离子体源气体选自惰性气体、氮气、氟碳气体中的其中一种或多种。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中包括步骤：打开所述PECVD装置的一高压脉冲电源，所述等离体子源气体在高压脉冲电场的作用下清洁所述基体表面，并且蚀刻和活化。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中高压脉冲电源电压-100V～-5000V、占空比1％～90％。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中在进行PECVD工艺时，加入一辅助气体，与所述反应气体原料共同沉积反应，其中所述辅助气体是氢气，以调节所述钢化加强膜中的C-H键含量。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中所述氢气的含量≤40％。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中在进行PECVD工艺时，射频和高压脉冲共同作用沉积形成所述钢化加强膜。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中所述射频功率范围为10～800W，高压脉冲电源电压-100V～-5000V，脉冲占空比10％～80％。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中所述基体是一电子设备屏。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中所述电子设备选自于智能手机、平板电脑、电子阅读器、可穿戴设备、电视机、电脑显示屏中的一种。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中x为1-10的整数，y为1-20的整数。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中所述碳氢气体CxHy选自常压下为气态的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙炔中的其中一种或多种。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中所述碳氢气体CxHy选自经过减压或者加热蒸发形成的苯蒸气、甲苯蒸气中的其中一种或多种。
根据本发明的一些实施例所述的钢化加强膜制备方法，其中在沉积形成所述钢化加强膜时，所述PECVD装置的反应腔室温度范围为25℃～100℃。
本发明的另一方面提供一电子设备，其包括：
一主体；
一显示屏；和
一所述的钢化加强膜，所述显示屏被安装于所述主体正面，所述钢化加强膜通过PECVD工艺沉积于所述显示屏的表面。
根据本发明的一些实施例所述的电子设备，其中所述显示屏具有一边缘，所述钢化加强膜覆盖所述显示屏的表面和边缘。
本发明的另一方面提供一电子设备，其包括：
一主体；
一显示屏；和
一所述的方法制备的钢化加强膜，所述显示屏被安装于所述主体正面，所述钢化加强膜通过PECVD工艺沉积于所述显示屏的表面。
本发明的另一方面提供所述的电子设备，其中所述显示屏具有一边缘，所述钢化加强膜覆盖所述显示屏的表面和边缘。
本发明的另一方面提供一电子设备屏表面增强的方法，其特征在于，将一电子设备暴露于一包含结构式CxHy的反应原料气体中进行等离子体增强化学沉积以使得钢化加强膜在所述电子设备屏的表面形成。
根据一些实施例所述的电子设备屏表面增强的方法，其中包括步骤：将所述电子设备水平放置沉积形成所述钢化加强膜。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的钢化加强膜的制备方法框图。
图2是根据本发明的上述实施例的钢化加强膜应用于电子设备屏的示意图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“各种实施例”、“一些实施例”等的引用指示这样的描述本发明的实施例可包括特定特征、结构或特性，但是不是每个实施例必须包括该特征、结构或特性。此外，一些实施例可具有对其它实施例的描述的特征中的一些、全部或没有这样的特征。
本发明提供一电子设备及其钢化加强膜和制备方法及应用，其中所述钢化加强膜通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺化学沉积一体形成于一基体表面，所述基体表面优选为所述电子设备屏表面，以改善所述电子设备屏的表面性能，所述表面性能举例地但限于刚性、耐磨性能、耐摔性能。所述电子设备举例地但不限于智能手机、平板电脑、电子阅读器、可穿戴设备、电视机、电脑显示屏。优选地，所述电子设备屏是触控面板。可选地，所述电子设备屏是普通显示屏。
所述钢化加强膜能够提高所述电子设备屏的表面刚性，如提高莫氏硬度，在一些实施例中，所述钢化加强膜能够使得莫氏硬度为6的所述电子设备屏的莫氏硬度提高至7以及以上，优选地，所述钢化加强膜能够使得莫氏硬度为6的所述电子设备屏的莫氏硬度提高至8以及以上。
所述钢化加强膜能够提高所述电子设备屏的耐摔性能，如耐摔次数，在一些实施例中，所述钢化加强膜能够使得耐摔次数较低的所述电子设备屏的耐摔次数由2-4次提高至6以及以上，举例地，所述钢化加强膜能够使得所述电子设备屏的耐摔次数提升至8、11、12、13、15、18。
所述钢化加强膜能够提高所述电子设备屏的耐摩擦性能，如耐摩擦次数，在一些实施例中，所述钢化加强膜能够使得所述电子设备屏的耐摩擦次数达24000、25000、31000、42000、43000、45000、46000、53000。
所述钢化加强膜是纳米膜，具有较小的厚度，其厚度范围举例地但不限于10～2000nm，在一些实施例中，所述钢化加强膜的厚度分别是9nm、15nm、23nm、51nm、84nm、109nm、112nm、253nm。
所述钢化加强膜采用PECVD工艺气相沉积于所述电子设备屏的表面，藉由离子态的反应过程，可以使得所述钢化加强膜的厚度较小，如纳米尺寸，且在PECVD沉积过程可以通过控制工艺参数来获取目标性的所述钢化加强膜，比如，控制获取预定厚度的所述钢化加强膜。也就是说，上述预定厚度的所述钢化加强膜分别是在不同的预定反应条件下获得，而不是任意数值的选取。
所述钢化加强膜由碳氢气体CxHy作为沉积反应气体原料，通过PECVD工艺沉积于所述电子设备屏表面形成。可选地，CxHy中x为1-10的整数，y为1-20的整数。所述反应气体原料可以是单一气体，也可以是两种或者两种以上的气体混合物；优选地，所述碳氢气体选自常压下为气态的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙炔，也可以是经过减压或者加热蒸发形成的蒸气，比如苯蒸气、甲苯蒸气。
值得一体的是，根据本发明的实施例，由碳氢气体CxHy作为沉积反应气体原料通过PECVD工艺制备得到类金刚石薄膜(Diamond Like Carbon，DLC)，其是一种以sp3(金刚石键)和sp2(石墨键)键的形式结合生成的亚稳态材料，是一种短程有序、长程无序的薄膜。它兼具了金刚石和石墨的优良特性。在力学性能方面，具有较高的硬度和较好的耐磨性；在光学性能方面，透光性好、有增透功能；还具有良好的导热性和生物相容性。
等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺相较于现有的其它沉积工艺具有很多优点：(1)干式成膜不需要使用有机溶剂；(2)等离子体对基体表面的刻蚀作用，使所沉积上的薄膜与基体粘结性好；(3)可以对不规则基体表面均匀沉积镀膜，气相渗透性极强；(4)涂层可设计性好，相比于液相法微米级控制精度，化学气相法可在纳米级尺度进行涂层厚度的控制；(5)涂层结构设计容易，化学气相法使用等离子体激活，对不同材料的复合涂层不需要设计特定的引发剂进行引发，通过输入能量的调控即可将多种原材料复合在一起；(6)致密性好，化学气相沉积法在等离子体引发过程中往往会对多个活性位点进行激活，类似于溶液反应中一个分子上有多个官能团，分子链之间通过多个官能团形成交联结构；(7)作为一种镀膜处理技术手段，其普适性极好，镀膜的对象、镀膜使用的原材料选择的范围都很广。
所述等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺通过辉光放电产生等离子体，放电的方法包括微波放电、射频放电、紫外、电火花放电等。
进一步，根据本发明的实施例，在制备所述钢化加强膜时，采用射频和高压脉冲的共同作用来辅助完成等离子体增强化学沉积过程。优选地，射频和高压脉冲同时作用于PECVD沉积过程。在射频和高压脉冲共同作用的过程中，利用低功率射频放电维持等离子体环境，抑制高压放电过程的弧光放电由此提高化学沉积效率。弧光放电是辉光放电进一步加强的放电形式，其瞬间电流可以达到几十甚至几百安培以上，这些高电流经过产品表面损坏产品，由于对于电子产品，其危害更大，而射频电场和脉冲电场相互配合来优化沉积过程，减少对待沉积的基体的损伤。
射频可通过对惰性气体、反应气体原料的放电使整个镀膜过程处于等离子体环境，反应气体原料处于高能量状态；脉冲高电压的作用是脉冲电源在放电过程中产生强电场，处于高能状态的活性粒子受到强电场作用加速沉积于基体表面，形成非晶态碳网络结构。脉冲电源处于不放电的状态时，利于沉积在基体表面的DLC薄膜进行非晶态碳网络结构自由驰豫，在热力学作用下碳结构向稳定相---弯曲石墨烯片层结构转变，并埋置于非晶碳网络中，形成透明类石墨烯结构。也就是说，射频电场、变化的脉冲电场相互结合作用，使得所述钢化加强膜能够快速、稳定地沉积于基体的表面。
在本发明的一个实施例中，把射频电源作为ICP(电感耦合)离子源的电源供应，通过线圈的电感耦合作用，产生交变磁场，从而实现气体电离，所用射频功率为13.56MHz，快速变化的磁场确保了电离的充分和均匀。高压脉冲电源加载在阴极上，通过辉光放电效应电离气体，同时对正离子有定向牵引加速作用，在膜层沉积过程有轰击效果，从而可以获得致密的高硬度镀层。同时使用射频ICP源和高压脉冲电源，在获得了高离化率的等离子体基础上，增加了等离子体到达基体表面时的能量，以获得致密透明的类金刚石薄膜。
值得一提的是，射频和高压脉冲的共同作用增强了沉积效率，使得在电子设备屏幕表面能够有效沉积形成保护膜，也就是说，在较短时间内化学沉积反应形成所述钢化加强膜，由此提高了生产效率，使得所述钢化加强膜能够被批量化的工业生产。
还值得一提的是，在现有技术中，通常采用磁控溅射镀膜的方式来形成类金刚石薄膜DLC，磁控溅射工艺是PVD工艺的一种，其以碳源作为块状石墨靶材，其离化效率和沉积效率都较低，因此并没有被广泛应用，也比较难应用于大规模的生产实践当中。而在本发明的实施例中，PECVD碳源为气体，通过外加的直流脉冲和射频电源进行电离作用，离化程度和沉积效率提高，能够形成高硬度的DLC膜层，同时成本更低。另一方面，在PVD工艺中，以石墨作为碳源靶材，在制备过程中，需要对其预先加热，且反应速率慢，因此在整个过程中的热量积累较多，反应温度较高。而在本发明的PECVD反应过程中，碳源是气体，其不需要加热过程，沉积的薄膜较薄，沉积时间较短，因此在整个过程中的热量积累较少，反应温度较低，可以控制在25℃～100℃，适于一些电子设备的镀膜。
还值得一提的是，在实际的工业生产中，生产效率是其中一个重要因素，以手机屏幕为例，其只是手机众多部件中的其中一个，如果单纯为了提高屏幕的一些性能而耗费大量的时间，这个对于实际生产应用是不可行的，比如，在现有的一些DLC膜中，虽然其能够通过较长的反应时间达到改善性能的效果，但是其并不适于批量的生产应用，这也是限制一些膜被实际应用的一个因素之一，而在本发明的实施例中，通过PECVD的化学沉积方式，其能够通过相对简单的工艺过程，通过射频和高压脉冲的共同作用，使得沉积速率有效提高，由此使得钢化加强膜能够被广泛应用于批量化的工业生产中。
进一步，根据本发明的一些实施例，在制备所述钢化加强膜时，在PECVD反应装置中通入一等离子体源气体，其用于激活所述反应气体原料的化学沉积反应。所述等离子体源气体举例地但限于惰性气体、氮气、氟碳气体，其中惰性气体举例地但不限于He、Ar，氟碳气体举例地但不限于四氟化碳。所述等离子体源气体可以是单一气体，也可以是两种或者两种以上的气体的混合物。所述等离子源气体可以与所述反应气体同时通入，也可以先后通入。优选地，先通入所述等离子体源气体，而后再通入所述反应气体原料。
进一步，根据本发明的一些实施例，在制备所述钢化加强膜时，在所述PECVD反应装置中通入一辅助气体，所述辅助气体与所述反应气体原料配合形成所述钢化加强膜，也就是说，其将作为钢化加强膜的组成部分。所述辅助气体用于调节所述钢化加强膜的性能，比如调节刚性提高柔韧性。通过所述辅助气体的添加可以调节单纯碳氢气体形成的所述钢化加强膜中的C-C含量和/或C-H含量，以及结合所述辅助气体自身的特征来调整所述钢化加强膜的性能。
所述辅助气体举例地但不限于氢气，所述辅助气体可以与所述反应气体原料同时通入，也可以先后通入，优选地，所述辅助气体与所述反应气体原料同时通入。也就是说，由此可以制得含氢类金刚石薄膜。优选地，所述氢气在所述钢化加强膜中的含量不大于40％。
值得一提的是，所述辅助气体的加入能够调节所述钢化加强膜的性能，其在增加改善性能的同时会相对弱化所述钢化加强膜的刚性以及原本的性能，因此需要平衡添加量。发明人发现，当加入所述辅助气体时，可以改善所述钢化加强膜的预定性能，但是当所述辅助气体的加入量增加到一定程度时，所述钢化加强膜的硬度会明显下降。比如，当所述辅助气体是氢气时，当氢气含量大于40％时，其刚性会明显下降。含氢DLC相较于无氢DLC有着更高的润滑性和透明性，少量氢有利于SP3键的形成，在一定程度上可以提高硬度，但随着氢含量的进一步提高，类金刚石薄膜的硬度会逐步下降。
还值得一提的是，所述辅助气体的加入不仅能够调整所述钢化加强膜的性能，其还能够增加PECVD反应过程的离化浓度，促使反应更加快速地进行。
根据本发明的上述实施例，提供一钢化加强膜的制备方法，其包括如下步骤：
(A)放置一基体于一PECVD反应腔室内；
(B)将等离子体源气体通入到反应腔室中；
(C)将包括有碳氢气体的反应气体原料与辅助气体的气体混合物流入到反应腔室中；
(D)打开射频电源和高压脉冲电源，沉积DLC薄膜；和
(E)通入空气或者惰性气体取出基体。
在所述步骤(B)中，所述步骤(B)中的气体可以和步骤(C)中的气体同时通入，也可以先后通入，也可以不通入所述等离子体源气体。当通入所述等离子体源气体时，在一些情况下，所述反应腔室中的气体浓度或者说等离子体的浓度升高，相互激发作用增强，在一定程度上反应速率会提高，以及改善沉积效果。
在所述步骤(C)中，所述反应气体原料可以和所述辅助气体同时通入，也可以先后通入，也可以不通入所述辅助气体。当通入所述辅助气体时，由碳氢气体和所述辅助气体反应沉积形成所述钢化加强膜，此时的钢化加强膜的性能相对于不加入所述辅助气体的钢化加强膜，在一些性能上存在差异，比如其刚性减小，具有较好的柔韧性、疏水性、润滑性、透明性等。
在所述步骤(D)中，所述射频电源和所述高压脉冲电源可以同时打开，也可以先后打开。在一些实施例中，在所述步骤(B)执行的过程中，先打开所述高压脉冲电源，在所述步骤(C)执行的过程中，再打开所述射频电源，由此使得两个电场先后配合工作。在一些实施例中，在所述步骤(B)执行的过程中，打开所述射频电源，在所述步骤(C)执行的过程中，再打开所述高压脉冲电源，由此使得两个电场先后配合工作。值得一提的是，在这两种方式中，高压脉冲电场相对属于高能电能，而射频电源相对属于低能电场，因此在所述步骤(B)执行的过程中，即通入所述等离子体源气体时，打开所述高压脉冲电场，使得高能电场为所述等离子体源气体提供充分地离化和清洗的能量，使得离化率更高，更有助于后期的沉积反应，因此整体的沉积反应效果更好。如果在所述步骤(B)执行的过程中，即通入所述等离子体源气体时，打开所述射频电场，其能量较低，离化作用较弱，对于后期的沉积反应激活作用减弱，因此整体的薄膜沉积效果较差。
在一些实施例中，所述射频电源和所述高压脉冲电源也可以同时打开，但是相对于先后打开的作用，这种情况下更耗能。在步骤(B)中由于单独的等离子体源气体并不需要直接沉积成薄膜，因此也不需要沉积的能量，两个电场的同时加入就会提供过多的能量，由此使得能源浪费，且在一定程度上，会引起对所述基体的过度蚀刻，另一方面，由于在所述步骤(C)中，通入碳氢气体需要沉积形成薄膜，因此不仅需要离化的能量，也需要迁移沉积到基体表面的能量，而单独过高的脉冲电压不易控制且可能损害基体，因此射频电场和高压脉冲电场配合来提供沉积所需的整体能量，使得沉积过程能够快速、稳定地进行。因此总体来说，所述射频电场和所述高压脉冲电场先后配合的方式薄膜沉积效果优于同时作用或者单独一个作用的效果。
具体地，所述钢化加强膜的制备方法可以包括如下过程：
(1)基体表面清洁预处理：将玻璃、金属等基体用酒精或者丙酮等溶剂进行表面清洗，清洗方法可以采用无尘布擦拭或者先经过超声浸泡后擦干；将基体放置于一PECVD装置的真空反应腔中，抽真空至10Pa以下，更佳地应该抽真空至0.1Pa以下，通入高纯氩气或者氦气作为等离子体源，打开高压脉冲电源，辉光放电产生等离子体，对样品表面进行刻蚀与活化。即，上述步骤(A)和(B)的一个实施过程。
(2)沉积DLC薄膜。利用射频与高压脉冲共同辅助等离子体化学气相沉积的方法制备透明硬质含氢类金刚石碳膜：通入碳氢气源作为反应气体原料，打开射频电源和高压脉冲电源，经过一段时间后，沉积薄膜过程结束，通入空气或者惰性气体取出样品。即，上述步骤(C)-(E)的一个实施过程。
在步骤(1)中，样品表面清洗与活化阶段，通入氩气或者氦气的流量10sccm～1000sccm，控制反应腔中的压力为1～100Pa，高压脉冲电源电压-100V～-5000V、占空比1％～90％、清洗时间1～60min。
在一个实施例中的步骤(1)中，只需要高压脉冲电场的作用来对所述基体的表面进行预处理，而不需要射频电场和高压脉冲电场的共同作用。举例地，在步骤(1)中，所述等离体子源气体，如氩气或者氦气，在高压脉冲电场的作用下产生等离子体，并且在基体表面进行等离子体气相沉积过程，其对基体的表面进行微量蚀刻，即剥离微量的表层，但是由于其惰性作用，其并不能沉积停留于所述基体的表面。也就是说，在该过程中，主要是对表面的部分清除，而没有形成沉积层。步骤(1)为所述反应气体原料的沉积准备离化条件，并且使得基体的表面被微量的蚀刻，清洗表面，使得后续沉积的钢化加强膜更加牢固地结合于基体的表面。
值得一提的是，加入反应装置的气体流量对应相应的压力大小，过高或者过低的压力都会影响离化效果。过低的压力达不到清洗效果，过高的压力会存在损坏基体的风险。清洗时间长短影响清洗效果，清洗时间太短达不到清洗效果，清洗时间太长会有过度蚀刻的风险，且会使得整个工艺周期增长，提高工艺成本。根据本发明的实施例，在通入所述等离子体源的阶段，通入氩气或者氦气的流量10sccm～1000sccm，控制反应腔中的压力为1～100Pa，高压脉冲电源电压-100V～-5000V、占空比1％～90％、清洗时间1～60min，在这些范围，可以较好地调节上述各种因素，使其有利于整个所述钢化加强膜的沉积过程。
在步骤(2)中，采用射频和高压脉冲电压辅助等离子体化学气相沉积的方法制备透明硬质含氢类金刚石碳膜。射频可通过对惰性气体、反应气体原料的放电使整个镀膜过程处于等离子体环境，反应气体原料处于高能量状态；在样品基底施加脉冲高电压，目的是脉冲电源在放电过程中产生强电场，处于高能状态的活性粒子受到强电场作用加速沉积于基体表面，形成非晶态碳网络结构。脉冲电源处于不放电的状态时，利于沉积在基体表面的DLC薄膜进行非晶态碳网络结构自由驰豫，在热力学作用下碳结构向稳定相---弯曲石墨烯片层结构转变，并埋置于非晶碳网络中，形成透明类石墨烯结构。含氢类金刚石碳膜气相沉积过程中，CxHy流量为50-1000sccm、惰性气体流量10～200sccm、H2的气体流量0～100sccm、真空反应腔压力为0.01Pa～100Pa、射频功率10～800W，高压脉冲电源电压-100V～-5000V、脉冲占空比10％～80％、镀膜时间5-300min。
在所述反应气体原料沉积的阶段，通入的不同气体流量比影响所述钢化加强膜的原子比例，影响膜层的性能，根据本发明的实施例，当CxHy流量为50-1000sccm、惰性气体流量10～200sccm、H2的气体流量0～100sccm时，所述钢化加强膜的刚性较好，且可以通过氢气调节所述钢化加强膜的柔韧性，并且保持预定的沉积反应速率。
在所述反应气体原料沉积的阶段，射频电场和脉冲电场的电源功率的大小影响电离过程的升温、离化率和沉积速率等相关参数，根据本发明的实施例，当射频功率10～800W，高压脉冲电源电压-100V～-5000V、脉冲占空比10％～80％，在这些参数范围时，可以使得温升不会过快，也不会过度延长工艺时间，使得离化率较高并且保持较好的沉积速率。
负偏压值的大小直接关系到气体离化情况和到达产品表面时的迁移能力。高电压意味着更高的能量，可以获得高硬度涂层。但需要注意的时高的离子能量，会对基体产品产生很强的轰击效应，所以在微观尺度上会在表面产生轰击坑，同时高能量轰击会加快温度提升，可能导致温度过高而损坏产品，因此需要在偏压值、反应温度以及反应速率之间平衡。
优选地，在一些实施例中，射频的频率使用20～300KHz，较高的脉冲频率，可以避免绝缘产品表面的电荷持续积累，抑制大电弧现象和增加涂层沉积厚度极限。
在所述反应气体原料沉积的阶段，镀膜时间过短形成的膜层较薄，硬度表现差，而镀膜时间过长，厚度增大，但是影响透明性。根据本发明的实施例，当镀膜时间为5-300min时，能够在厚度、硬度以及透明性之间平衡。
进一步，在所述钢化加强膜的沉积过程，反应装置内的温度范围为25℃～100℃。优选地，温度范围为25℃～50℃。在上述温度范围对所述基体的影响较小，适于不耐高温的产品，比如适于电子产品。在形成所述钢化加强膜时，可以在产品的单独部件上形成，比如在未组装的电子屏幕上形成，也可以在组装的产品上形成，比如在组装成电子设备的屏幕上形成，工艺条件更加灵活。
值得一提的是，主流电子产品屏幕所用材料为高分子材料，其耐热变形能力较差，一般耐温都在100℃一下，作为制造工艺的终端工艺，镀膜处理需要确保改变原材料的性能，所以低温工艺是电子产品加工的硬需求。在制备所述钢化加强膜时，通过与产品摆放等效位置的热电偶来实时检测反应温度，控制反应温度，使其不会影响电子设备。
值得一提的是，现有技术中的离子交换增强玻璃制备过程繁琐，需要利用高温加热硝酸钾等离子盐形成离子浴，且离子交换时间长，成本较高。而本发明的实施例中，利用PECVD方法直接在玻璃等基材表面沉积类金刚石薄膜，常温下即可完成，所需时间短，利于成本控制；另一方面，本发明的实施例中通过射频与高压脉冲辅助等离子体化学气相沉积，利用低功率射频放电维持等离子体环境，抑制高压放电过程的弧光放电，与现有技术中的磁控溅射等物理气相沉积法相比整个沉积过程中基体温度低，可应用于一些不耐高温的电子器件的镀膜。当对手机玻璃屏幕进行强化处理时，可以先将手机玻璃组装完成再进行DLC气相沉积镀膜，也就是说，在电子设备制造完成之后再设置所述钢化加强膜；另一方面，本发明用于玻璃增强的DLC纳米涂层制备过程工艺可控性好，通过控制电极放电特性、气体流量、镀膜时间等工艺参数，可方便地获得目标DLC纳米涂层。
参照图2，所述电子设备以智能手机为例，所述电子设备10包括一主体11和一显示屏12，所述显示屏12被安装于所述主体11的正面。一钢化加强膜20被一体沉积形成于所述显示屏12的表面。
进一步，所述显示屏12具有一边缘121，所述钢化加强膜20覆盖所述显示屏12的边缘121，或者说，所述钢化加强膜20延伸至所述显示屏12的边缘121。换句话说，所述钢化加强膜能够完全覆盖所述显示屏12的表面，尤其是边缘位置，减少屏幕边缘产生Griffith裂纹。
在一个实施例中，所述边缘121呈微弧形，所述钢化加强膜20覆盖微弧形的表面。
在制备所述钢化加强膜20时，所述电子设备10被水平放置于一PECVD反应装置中30，所述显示屏12朝向上方，借由上述钢化加强膜的沉积过程形成，通入气体400，即所述反应原料气体、所述等离子体源气体以及所述辅助气体，在射频电场和高压脉冲电场的共同作用下形成等离体子体，并且在电场环境中由上方逐渐沉积于所述显示屏12的表面。也就是说，所述钢化加强膜20会随着所述显示屏12的形状而成形，或者说依附所述显示屏12的表面形状成形，由此可以牢固地连接于所述显示屏12表面，并且完全地覆盖所述显示屏12的表面。而所述原材料形成的DLC膜的特性以及其与所述显示屏12的结合方式整体使得所述钢化加强膜20能够较好地改善所述显示屏的表面性能，比如提高所述显示屏12的刚性、耐摔性能以及耐摩擦性能。
值得一提的是，在所述显示屏12的表面形成所述钢化加强膜20时，可以在所述显示屏12未组装于所述电子设备主体11时进行，也就是说，其可以由所述显示屏的生产厂商制备形成，也可以在所述显示屏12组装于所述主体11时进行，比如所述电子设备组装完成之后进行，即由电子设备生产商制造完成。所述钢化加强膜的制备可以被灵活地选择在不同的阶段完成，工艺要求降低。
以下实施例示例说明通过一PECVD反应装置在一基体表面气相沉积形成所述钢化加强膜的不同过程。
实施例1
一种用于手机玻璃增强的DLC纳米钢化加强膜的制备方法：
(1)将手机玻璃屏幕用无水乙醇超声清洗10min，再用无尘布将其擦干后置于干燥箱中吹干6h。
(2)将玻璃屏幕放置于真空反应腔中，进行抽真空使腔体内压力降至0.01Pa以下，通入氩气进行表面刻蚀处理，氩气流量为100sccm，腔体内压力控制在8Pa。打开高压脉冲电源，高压脉冲电源电压为-3000V，占空比为20％，频率为10kHz，处理时间为15min。
(3)关闭氩气，向真空反应腔体中引入甲烷、氢气，甲烷气体流量为50sccm，氢气流量为100sccm，压力控制在8Pa，设定高压脉冲电源电压为-2500V，占空比为10％，频率设定为300kHz；打开射频电源输出功率为50W，频率为13.56MHz。沉积过程时间为5min。
(4)沉积结束后，关闭气源进口阀、电源，充入空气至常压，打开真空反应腔，取出手机玻璃屏幕。
实施例2
一种用于手机玻璃增强的DLC纳米钢化加强膜的制备方法：
(1)将手机玻璃屏幕用异丙醇清洗5min，用无尘布将其擦干后置于干燥箱中吹干6h。
(2)将玻璃屏幕放置于真空反应腔中，进行抽真空使腔体内压力降至0.001Pa以下，通入氩气进行表面刻蚀处理，氩气流量为80sccm，腔体内压力控制在10Pa。打开高压脉冲电源，高压脉冲电源电压为-3000V，占空比为30％，频率为40kHz，处理时间为5min。
(3)关闭氩气，向真空反应腔体中引入甲烷、氢气，甲烷气体流量为80sccm，氢气流量为0sccm，压力控制在10Pa。设定高压电源电压为-2500V，占空比为10％，频率设定为350kHz；打开射频电源输出功率为50W，频率为13.56MHz。沉积过程时间为10min。
(4)沉积结束后，关闭气源进口阀、电源，充入空气至常压，打开真空反应腔，取出手机玻璃。
实施例3
一种用于柔性OLED屏增强的DLC纳米钢化加强膜的制备方法：
(1)将手机柔性屏幕用异丙醇清洗5min，用无尘布将其擦干后置于干燥箱中吹干6h。
(2)将柔性OLED屏放置于真空反应腔中，进行抽真空使腔体内压力降至0.01Pa以下，通入氩气进行表面刻蚀处理，氩气流量为80sccm，腔体内压力控制在10Pa。打开射频电源，设置功率为100W，频率为13.56MHz，处理时间为10min。
(3)关闭射频电源，向真空反应腔体中引入甲烷、氢气，甲烷气体流量为80sccm，氢气流量为40sccm，氩气流量调整为80sccm，压力控制在10Pa。打开高压脉冲电源电压为-2500V，占空比为20％，频率设定为200kHz，沉积过程时间设定为30min。
(4)沉积结束后，关闭气源进口阀、电源，充入空气至常压，打开真空反应腔，取出柔性OLED屏。
实施例4
一种用于柔性OLED屏增强的DLC纳米钢化加强膜的制备方法：
(1)将手机柔性屏幕用异丙醇清洗5min，用无尘布将其擦干后置于干燥箱中吹干6h。
(2)将柔性OLED屏放置于真空反应腔中，进行抽真空使腔体内压力降至1Pa以下，通入氦气进行表面刻蚀处理，氦气流量为80sccm，腔体内压力控制在100Pa。打开高压脉冲电源，高压脉冲电源电压为-3000V，占空比为30％，频率为40kHz，处理时间为5min。
(3)关闭氩气，向真空反应腔体中引入甲烷、氢气，甲烷气体流量为80sccm，氢气流量为100sccm，压力控制在100Pa。设定高压脉冲电源电压为-2500V，占空比为10％，频率设定为350kHz；打开射频电源输出功率为100W，频率为13.56MHz。沉积过程时间为60min。
(4)沉积结束后，关闭气源进口阀、电源，充入空气至常压，打开真空反应腔，取出柔性OLED屏。
实施例5
一种用于手机玻璃屏幕增强的DLC纳米钢化加强膜的制备方法：
(1)将手机玻璃屏幕用异丙醇清洗5min，用无尘布将其擦干后置于干燥箱中吹干2h。
(2)将玻璃屏幕放置于真空反应腔中，进行抽真空使腔体内压力降至0.01Pa以下，通入氩气进行表面刻蚀处理，氩气流量为80sccm，腔体内压力控制在100Pa。打开高压脉冲电源，高压脉冲电源电压为-3000V，占空比为30％，频率为40kHz，处理时间为5min。
(3)关闭氩气，向真空反应腔体中引入乙炔、氢气，乙炔气体流量为100sccm，氢气流量为100sccm，压力控制在10Pa。设定高压脉冲电源电压为-2500V，占空比为20％，频率设定为350kHz。沉积过程时间为60min。
(4)沉积结束后，关闭气源进口阀、电源，充入空气至常压，打开真空反应腔，取出手机玻璃屏幕。
实施例6
与实施例5相比，将步骤(3)中的乙炔更换成乙烷，其他条件不改变。
实施例7
与实施例5相比，将步骤(3)中的乙炔更换成苯，高压电源电压更换为-1600V，其他条件不改变。
实施例8
与实施例1相比，将步骤(2)中的腔体内压力控制在“8Pa”更换为“60Pa”，其他条件不改变。
实施例1-实施例8的检测：
厚度测试方法，使用美国Filmetrics F20-UV-薄膜厚度测量仪进行检测。
莫氏硬度，即刻痕法将棱锥形金刚钻针刻划所测试表面，并测量划痕的深度，根据划痕深度界定莫氏硬度等级。
耐磨性测试，在酒精耐磨试验机进行，选择橡皮擦测试夹具进行测试，测试条件为载荷1000g，转速为60cycle/min，测试涂层破坏时的循环次数。
耐摔性测试，将手机从距水泥地1m高处自由下落，重复试验至屏幕产生明显裂纹。
Figure BDA0002198397600000181
Figure BDA0002198397600000191
注：OLED的耐摔是指产生表面划伤
根据本发明的实施效果来看，DLC膜与手机屏幕玻璃、手机OLED柔性屏的粘接性很好，最高可耐橡皮摩擦50000次以上，且玻璃的耐摔性能得到很大的提升，其中一个原因是DLC膜的存在降低了玻璃屏幕碰撞地板粗糙表面时产生微小裂纹的几率，同时DLC膜的存在也使玻璃屏幕的硬度得到进一步提升达到莫氏硬度8以上。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (32)

1.一钢化加强膜，其特征在于，其以碳氢气体CxHy作为沉积反应气体原料，通过PECVD工艺在一基体的表面沉积形成。
2.根据权利要求1所述的钢化加强膜，其中x为1-10的整数，y为1-20的整数。
3.根据权利要求1所述的钢化加强膜，其中所述碳氢气体CxHy选自常压下为气态的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙炔中的其中一种或多种。
4.根据权利要求1所述的钢化加强膜，其中所述碳氢气体CxHy选自经过减压或者加热蒸发形成的苯蒸气、甲苯蒸气中的其中一种或多种。
5.根据权利要求1-4任一所述的钢化加强膜，其中在进行PECVD工艺时，加入一等离子体源气体，以激活所述反应气体原料的沉积反应。
6.根据权利要求5所述的钢化加强膜，其中所述等离子体源气体选自惰性气体、氮气、氟碳气体中的其中一种或多种。
7.根据权利要求1-4任一所述的钢化加强膜，其中在进行PECVD工艺时，加入一辅助气体，与所述反应气体原料共同沉积反应，其中所述辅助气体是氢气，以调节所述钢化加强膜中的C-H键含量。
8.根据权利要求7所述的钢化加强膜，其中所述氢气的含量≤40％。
9.根据权利要求1-4任一所述的钢化加强膜，其中在进行PECVD工艺时，射频和高压脉冲共同作用沉积形成所述钢化加强膜。
10.根据权利要求9所述的钢化加强膜，其中所述射频功率范围为10～800W，高压脉冲电源电压-100V～-5000V，脉冲占空比10％～80％。
11.根据权利要求1-4任一所述的钢化加强膜，其中所述基体是一电子设备屏。
12.根据权利要求11所述的钢化加强膜，其中所述电子设备选自于智能手机、平板电脑、电子阅读器、可穿戴设备、电视机、电脑显示屏中的一种。
13.一钢化加强膜制备方法，其特征在于，以碳氢气体CxHy作为沉积反应气体原料，通过一PECVD装置在一基体表面进行等离子体增强化学气相沉形成。
14.根据权利要求13所述的钢化加强膜制备方法，其中在进行PECVD工艺时，加入一等离子体源气体，以激活所述反应气体原料的沉积反应。
15.根据权利要求14所述的钢化加强膜制备方法，其中所述等离子体源气体选自惰性气体、氮气、氟碳气体中的其中一种或多种。
16.根据权利要求14所述的钢化加强膜制备方法，其中包括步骤：打开所述PECVD装置的一高压脉冲电源，所述等离体子源气体在高压脉冲电场的作用下清洁所述基体表面，并且蚀刻和活化。
17.根据权利要求16所述的钢化加强膜制备方法，其中高压脉冲电源电压-100V～-5000V、占空比1％～90％。
18.根据权利要求13所述的钢化加强膜制备方法，其中在进行PECVD工艺时，加入一辅助气体，与所述反应气体原料共同沉积反应，其中所述辅助气体是氢气，以调节所述钢化加强膜中的C-H键含量。
19.根据权利要求18所述的钢化加强膜制备方法，其中所述氢气的含量≤40％。
20.根据权利要求13-19任一所述的钢化加强膜制备方法，其中在进行PECVD工艺时，射频和高压脉冲共同作用沉积形成所述钢化加强膜。
21.根据权利要求20所述的钢化加强膜制备方法，其中所述射频功率范围为10～800W，高压脉冲电源电压-100V～-5000V，脉冲占空比10％～80％。
22.根据权利要求13-19任一所述的钢化加强膜制备方法，其中所述基体是一电子设备屏。
23.根据权利要求22所述的钢化加强膜制备方法，其中所述电子设备选自于智能手机、平板电脑、电子阅读器、可穿戴设备、电视机、电脑显示屏中的一种。
24.根据权利要求13-19任一所述的钢化加强膜制备方法，其中x为1-10的整数，y为1-20的整数。
25.根据权利要求13-19任一所述的钢化加强膜制备方法，其中所述碳氢气体CxHy选自常压下为气态的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙炔中的其中一种或多种。
26.根据权利要求13-19任一所述的钢化加强膜制备方法，其中所述碳氢气体CxHy选自经过减压或者加热蒸发形成的苯蒸气、甲苯蒸气中的其中一种或多种。
27.根据权利要求13-19任一所述的钢化加强膜制备方法，其中在沉积形成所述钢化加强膜时，所述PECVD装置的反应腔室温度范围为25℃～100℃。
28.一电子设备，其特征在于，包括：
一主体；
一显示屏；和
一根据权利要求1-12任一所述的钢化加强膜，所述显示屏被安装于所述主体正面，所述钢化加强膜通过PECVD工艺沉积于所述显示屏的表面。
29.根据权利要求28所述的电子设备，其中所述显示屏具有一边缘，所述钢化加强膜覆盖所述显示屏的表面和边缘。
30.一电子设备，其特征在于，包括：
一主体；
一显示屏；和
一根据权利要求13-27任一所述的方法制备的钢化加强膜，所述显示屏被安装于所述主体正面，所述钢化加强膜通过PECVD工艺沉积于所述显示屏的表面。
31.根据权利要求30所述的电子设备，其中所述显示屏具有一边缘，所述钢化加强膜覆盖所述显示屏的表面和边缘。
32.一电子设备屏表面增强的方法，其特征在于，将一电子设备暴露于一包含结构式CxHy的反应原料气体中进行等离子体增强化学沉积以使得钢化加强膜在所述电子设备屏的表面形成。
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