CN206916216U - 类金刚石薄膜的沉积设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种类金刚石薄膜的沉积设备，其包括脉冲直流偏压电源系统、恒流离化装置和具有真空腔体的沉积壳体，沉积壳体接地且沉积壳体上设置有抽真空口和进出货炉门，恒流离化装置包括设置于沉积壳体外的离化电源和设置于真空腔体内的两个离化电极，两个离化电极分别与离化电源电连接，沉积壳体上设置有用于放置离子源的第一凸腔，真空腔体内设置有加热管组、气管组、靶材组和用于放置工件的环形的工件转架，脉冲直流偏压电源系统的电源正极接地，电源负极与工件转架连接。本实用新型既可以提高沉积速度，又可以在高光镜面上沉积光泽度高、致密细腻、硬度高、耐磨性能好、颜色均匀的装饰性类金刚石薄膜。

Description

类金刚石薄膜的沉积设备

技术领域

本实用新型涉及真空镀膜技术领域，尤其涉及一种类金刚石薄膜的沉积设备。

背景技术

类金刚石薄膜(DLC，即，DIAMOND-LIKE CARBON)是一种由碳元素构成，在性质上和钻石类似，同时又具有石墨原子组成结构的物质。类金刚石薄膜是一种非晶态薄膜，由于具有高硬度、高弹性模量、低摩擦因数、耐磨损以及良好的真空摩擦学特性，很适合于作为耐磨涂层，从而引起了人们的重视。目前制备DLC的方法很多，不同的制备方法所用的碳源以及到达基体表面的离子能量不同，沉积的DLC的结构和性能存在很大差别，摩擦学性能也不相同。

国内离子束沉积DLC的工艺已开发出来，可以以中等速度沉积功能DLC，但在外观装饰领域无法应用，后来在此基础上开发了掺杂其它元素(如Si、N、W、Cr、Ti等)的DLC工艺，沉积的功能性DLC应用范围扩大，外观也有所改善。非平衡磁控溅射技术用于可调颜色的装饰性类金刚石碳膜的沉积设备，可以沉积性能较高，外观较好的DLC膜层，已应用于中高端手表、手机的外观件上。在装饰性镀膜领域，利用现有的DLC的沉积设备开发的装饰性DLC虽然外观不错，但成本、性能以及颜色均匀性等方面与国际领先水平相比则劣势明显。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种类金刚石薄膜的沉积设备，旨在提高沉积速度和保证在高光镜面上沉积装饰性DLC膜层具有高光泽度、致密细腻、硬度高、耐磨性能好和颜色均匀的优点。

为实现上述目的，本实用新型提供的类金刚石薄膜的沉积设备，其包括脉冲直流偏压电源系统和具有真空腔体的沉积壳体，所述沉积壳体接地且所述沉积壳体上设置有抽真空口和进出货炉门，所述类金刚石薄膜的沉积设备还包括恒流离化装置，所述恒流离化装置包括设置于所述沉积壳体外的离化电源和设置于所述真空腔体内的两个离化电极，两个所述离化电极分别与所述离化电源电连接，所述沉积壳体上设置有用于放置离子源的第一凸腔，所述真空腔体内设置有加热管组、气管组、靶材组和用于放置工件的环形的工件转架，所述脉冲直流偏压电源系统的电源正极接地，所述脉冲直流偏压电源系统的电源负极与所述工件转架连接。

优选地，所述靶材组分为两组靶材，两组所述靶材和所述离化电极均位于所述工件转架的内侧，且两组所述靶材对称布置在所述离化电极的两侧，所述靶材为具有靶罩的圆柱靶材。

优选地，所述加热管组分为两组加热管，一组所述加热管位于所述工件转架的内侧且另一组所述加热管位于所述工件转架的外侧；所述气管组分为两组气管，一组所述气管位于所述工件转架的内侧且另一组所述气管位于所述工件转架的外侧。

优选地，位于所述工件转架的外侧的一组所述加热管包括若干个第一加热管，若干个所述第一加热管围绕所述真空腔体中心的周向间隔布置；位于所述工件转架的外侧的一组所述气管包括若干个第一气管，若干个所述第一气管围绕所述真空腔体中心的周向间隔布置；所述第一气管和所述第一加热管到所述真空腔体中心的距离一致。

优选地，位于所述工件转架的内侧的一组所述加热管包括若干个第二加热管，若干个所述第二加热管围绕所述真空腔体中心的周向间隔布置；位于所述工件转架的内侧的一组所述气管包括若干个第二气管，若干个所述第二气管围绕所述真空腔体中心的周向间隔布置；所述第二气管和所述第二加热管到所述真空腔体中心的距离一致。

优选地，所述气管组所包括的气管穿过所述沉积壳体的底壁后伸入所述真空腔体内，所述气管伸入所述真空腔体内的部分为内管，所述内管的朝向所述工件转架的管壁开有若干通孔，若干所述通孔的孔径沿所述气管高度方向从下到上依次增加。

优选地，所述工件转架上安装有多个用于悬挂工件的圆形的挂架，多个所述挂架等距设置，所述内管的高度大于所述挂架的高度。

优选地，所述沉积壳体上设置有用于放置弧靶的第二凸腔。

优选地，所述沉积壳体为轴对称的结构，所述第一凸腔和第二凸腔对称设置，所述抽真空口和所述进出货炉门相对设置。

优选地，所述类金刚石薄膜的沉积设备还包括抽真空系统，所述抽真空系统通过所述抽真空口与所述真空腔体连通；所述进出货炉门上设置有观察窗。

在本实用新型的技术方案中，类金刚石薄膜的沉积设备采用PACVD方法沉积装饰性DLC硬膜时，恒流离化装置将反应气体离化，即提供独立的等离子体离化反应气体。离化过程中恒流离化装置的能量可调，离化后的C⁺在工件表面沉积形成表面光滑致密的DLC膜层，且离化过程中脉冲直流偏压电源系统加在工件上的负偏压可以独立调节，有利于DLC膜层的形成。利用该沉积设备既可以提高沉积速度，又可以在高光镜面上沉积光泽度高、致密细腻、硬度高、耐磨性能好、颜色均匀的装饰性类金刚石薄膜。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型类金刚石薄膜的沉积设备一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，在本实用新型提供的类金刚石薄膜的沉积设备，其包括脉冲直流偏压电源系统(图未视)和沉积壳体1，沉积壳体1具有真空腔体14，沉积壳体1接地且沉积壳体1上设置有抽真空口和进出货炉门11，该类金刚石薄膜的沉积设备还包括恒流离化装置2，恒流离化装置2包括离化电源(图未示)和两个离化电极21，两个离化电极21分别通过导线连接在离化电源上，离化电源设置在沉积壳体1外，两个离化电极21设置在真空腔体14内，沉积壳体1上设置有第一凸腔12，第一凸腔12用于放置离子源3，真空腔体14内设置有加热管4组、气管5组、靶材6组和用于放置工件的环形的工件转架7，脉冲直流偏压电源系统的电源正极接地，脉冲直流偏压电源系统的电源负极与工件转架7连接。

本实用新型的类金刚石薄膜的沉积设备工作过程为：

(1)清洗处理工件，将工件通过进出货炉门11悬挂到环形的工件转架7上，本实施例的工件转架7呈圆环形，圆环形的工件转架7可以围绕其中心转动，并与真空腔体14绝缘。

(2)通过抽真空口对真空腔体14进行抽真空处理，抽真空时间为30min-90min，直至将真空腔体14抽至真空，真空度约为0.001Pa-0.01Pa，加热管4对真空腔体14进行加热至温度为150℃-300℃。

(3)为保持工件的高光效果，同时提高膜层的附着力，使用放置在第一凸腔12的线性离子源3对工件进行清洗，通过气管5向真空腔体14加入Ar，各项参数如下：

离子源3电源电压：800V-1500V；

脉冲偏压电源电压：600V-1500V；

占空比：30％-70％；

频率：10KHZ-80KHZ；

时间：10min-30min；

Ar：10SCCM-50SCCM；

真空度：0.02Pa-0.09Pa；

温度：150℃-300℃。

(4)沉积底层，靶材6可以采用铬靶或者钛靶，各项参数如下：

靶电流：15A-30A；

脉冲偏压电源电压：0-300V；

占空比：30％-70％；

频率：10KHZ-80KHZ；

时间：10min-30min；

Ar：50SCCM-300SCCM；

真空度：0.1Pa-0.9Pa；

温度：150℃-300℃。

(5)沉积过渡层：靶材6可以采用铬靶或者钛靶，通过气管5向真空腔体14加入乙炔或者甲烷，各项参数如下：

靶电流：15A-30A；

脉冲偏压电源电压：0-300V；

占空比：30％-70％；

频率：10KHZ-80KHZ；

时间：10min-30min；

Ar：50SCCM-300SCCM；

乙炔或者甲烷：10SCCM-200SCCM；

真空度：0.1Pa-0.9Pa；

温度：150℃-300℃。

(6)采用PACVD(离子加强化学气相沉积)方法沉积装饰性DLC硬膜，打开恒流离化装置2，离化电源向两个离化电极21供电，各项参数如下：

脉冲偏压电源电压：200V-1500V；

占空比：30％-70％；

频率：10KHZ-80KHZ；

时间：60min-240min；

Ar：20SCCM-200SCCM；

乙炔或者甲烷：100SCCM-400SCCM；

真空度：1.0Pa-10.0Pa；

温度：150℃-300℃；

离化电源电流：0.5A-1.5A。

本实用新型在采用PACVD方法沉积装饰性DLC硬膜时，恒流离化装置2将反应气体，例如，乙炔或者甲烷等离化，即提供独立的等离子体离化乙炔或者甲烷。离化过程中恒流离化装置2的能量可调，离化后的C⁺在工件表面沉积形成表面光滑致密的DLC膜层，且离化过程中脉冲直流偏压电源系统加在工件上的负偏压可以独立调节，有利于DLC膜层的形成。该类金刚石薄膜的沉积设备可以通过PACVD的方法沉积装饰性DLC硬膜，与磁控溅射法沉积装饰性DLC硬膜相比，利用该沉积设备既可以提高沉积速度，又可以在高光镜面上沉积光泽度高、致密细腻、硬度高、耐磨性能好、颜色均匀的装饰性类金刚石薄膜。该DLC膜层可用于高端装饰行业。

在进一步的技术方案中，本实施例的靶材6组分为两组靶材6，靶材6可以采用铬靶或者钛靶。如图1所示，两组靶材6和离化电极21均位于工件转架7的内侧，且两组靶材6对称布置在离化电极21的两侧，各组靶材6包括并排间隔布置的两个靶材6，即本实施例具有四个靶材6。各靶材6为具有靶罩61的圆柱靶材6，靶材6未使用时，靶罩61盖在靶材6上；使用靶材6时，将靶罩61拿下即可，利于改善真空腔体14的内部环境。

如图1所示，加热管4组分为两组加热管4，其中一组加热管4位于工件转架7的内侧，另一组加热管4位于工件转架7的外侧；进一步地，气管5组分为两组气管5，其中一组气管5位于工件转架7的内侧，另一组气管5位于工件转架7的外侧，使得真空腔体14内的温度和气体均匀分布，利于反应的正常进行。

具体的，位于工件转架7的外侧的一组加热管4包括若干个第一加热管4a，若干个第一加热管4a围绕真空腔体14中心的周向间隔布置；位于工件转架7的外侧的一组气管5包括若干个第一气管5a，若干个第一气管5a围绕真空腔体14中心的周向间隔布置。第一气管5a和第一加热管4a到真空腔体14中心的距离一致，便于制作。同样，位于工件转架7的内侧的一组加热管4包括若干个第二加热管4b，若干个第二加热管4b围绕真空腔体14中心的周向间隔布置；位于工件转架7的内侧的一组气管5包括若干个第二气管5b，若干个第二气管5b围绕真空腔体14中心的周向间隔布置。第二气管5b和第二加热管4b到真空腔体14中心的距离一致。

本实施例的气管5穿过沉积壳体1的底壁后伸入真空腔体14内，气管5伸入真空腔体14内的部分为内管，内管的朝向工件转架7的管壁开有若干通孔，若干通孔的孔径沿气管5高度方向从下到上依次增加。本实施例中通孔的数量为10个-20个，通孔的孔径从下到上依次为1.0mm、1.1mm、……2.0mm、……3.0mm，使得通过气管5上的通孔进入到真空腔体14内的气体均匀分布，进而使得等离子体均匀分布，从而获得颜色、厚度均匀及性能稳定的DLC膜层。

本实施例中，圆环形的工件转架7上安装有多个用于悬挂工件的圆形的挂架8，多个挂架8等距设置，内管的高度大于工件转架7的高度。使用时，工件转架7转动带动挂架8转动，同时，挂架8可以自转，进一步使得工件表面形成颜色、厚度均匀及性能稳定的DLC膜层。本实施例的内管的高度比工件转架7的高度高约10cm。

在进一步的技术方案中，沉积壳体1上设置有用于放置弧靶9的第二凸腔13。线性离子源3对工件进行清洗后，根据根据工件特点决定是否需要弧轰击处理，如果需要，则使用放置在第二凸腔13的弧靶9对工件进行弧轰击，以提高附着力。进行弧轰击时的各项参数如下：

弧电流：40A-80A；

脉冲偏压电源电压50V-300V；

占空比：30％-70％；

频率：10KHZ-80KHZ；

时间：10min-30min；

Ar：10SCCM-50SCCM；

真空度：0.02Pa-0.09Pa；

温度：150℃-300℃。

如图1所示，本实施例的沉积壳体1为轴对称的结构，第一凸腔12和第二凸腔13对称布置，抽真空口和进出货炉门11相对设置。具体的，第一凸腔12位于沉积壳体1上30°的位置，第二凸腔13位于沉积壳体1上150°的位置，抽真空口位于沉积壳体1上90°的位置，进出货炉门11位于沉积壳体1上270°的位置，具有结构合理、便于制作和利于操作的优点。

本实施例的类金刚石薄膜的沉积设备还包括抽真空系统10，抽真空系统10通过抽真空口与真空腔体14连通，以实现对真空腔体14的抽真空处理。本实施例的进出货炉门11上设置有观察窗111，便于工作人员观察真空腔体14内的情况。

本实用新型的类金刚石薄膜的沉积设备在高光不锈钢片上沉积装饰性DLC膜层的过程如下：

(1)工件清洗预处理。

(2)抽真空处理，各项参数如下：

真空度：0.004Pa；

温度：200℃；

抽真空时间：60min。

(3)离子清洗，各项参数如下：

离子源3电源：1500V；

脉冲偏压电源电压：1200V；

占空比：50％；

频率：40KHZ；

时间：25min；

Ar：20SCCM；

真空度：0.06Pa；

温度：200℃。

(4)沉积底层，靶材6采用铬靶，各项参数如下：

靶电流：25A；

脉冲偏压电源电压：50V；

占空比：50％；

频率：40KHZ；

时间：20min；

Ar：150SCCM；

真空度：0.42Pa；

温度：200℃。

(5)沉积过渡层，靶材6可以采用铬靶或者钛靶，各项参数如下：

靶电流：20A；

脉冲偏压电源电压：50V；

占空比：50％；

频率：40KHZ；

时间：20min；

Ar：120SCCM；

乙炔：10SCCM-180SCCM；

真空度：0.42Pa-0.50Pa；

温度：200℃。

(6)采用PACVD方法沉积装饰性DLC硬膜，各项参数如下：

脉冲偏压电源电压：500V；

占空比：50％；

频率：80KHZ；

时间：120min；

Ar：400SCCM；

乙炔：600SCCM；

真空度：3.6Pa；

温度：250℃；

离化电源电流：1.2A。

(7)外观和测试，得出如下结果：

外观：OK；

高光面：基本保持；

颜色：L＝42.01，a＝0.01，b＝﹣1.53，上中下颜色均匀；

纳米硬度：1600nHV，

耐磨(CS-17)：≥5000圈；

热浸(300℃)：OK；

中性盐雾测试：OK；

人工汗：OK。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种类金刚石薄膜的沉积设备，其包括脉冲直流偏压电源系统和具有真空腔体的沉积壳体，所述沉积壳体接地且所述沉积壳体上设置有抽真空口和进出货炉门，其特征在于，所述类金刚石薄膜的沉积设备还包括恒流离化装置，所述恒流离化装置包括设置于所述沉积壳体外的离化电源和设置于所述真空腔体内的两个离化电极，两个所述离化电极分别与所述离化电源电连接，所述沉积壳体上设置有用于放置离子源的第一凸腔，所述真空腔体内设置有加热管组、气管组、靶材组和用于放置工件的环形的工件转架，所述脉冲直流偏压电源系统的电源正极接地，所述脉冲直流偏压电源系统的电源负极与所述工件转架连接。

2.如权利要求1所述的类金刚石薄膜的沉积设备，其特征在于，所述靶材组分为两组靶材，两组所述靶材和所述离化电极均位于所述工件转架的内侧，且两组所述靶材对称布置在所述离化电极的两侧，所述靶材为具有靶罩的圆柱靶材。

3.如权利要求1所述的类金刚石薄膜的沉积设备，其特征在于，所述加热管组分为两组加热管，一组所述加热管位于所述工件转架的内侧且另一组所述加热管位于所述工件转架的外侧；所述气管组分为两组气管，一组所述气管位于所述工件转架的内侧且另一组所述气管位于所述工件转架的外侧。

4.如权利要求3所述的类金刚石薄膜的沉积设备，其特征在于，位于所述工件转架的外侧的一组所述加热管包括若干个第一加热管，若干个所述第一加热管围绕所述真空腔体中心的周向间隔布置；位于所述工件转架的外侧的一组所述气管包括若干个第一气管，若干个所述第一气管围绕所述真空腔体中心的周向间隔布置；所述第一气管和所述第一加热管到所述真空腔体中心的距离一致。

5.如权利要求3所述的类金刚石薄膜的沉积设备，其特征在于，位于所述工件转架的内侧的一组所述加热管包括若干个第二加热管，若干个所述第二加热管围绕所述真空腔体中心的周向间隔布置；位于所述工件转架的内侧的一组所述气管包括若干个第二气管，若干个所述第二气管围绕所述真空腔体中心的周向间隔布置；所述第二气管和所述第二加热管到所述真空腔体中心的距离一致。

6.如权利要求1所述的类金刚石薄膜的沉积设备，其特征在于，所述气管组所包括的气管穿过所述沉积壳体的底壁后伸入所述真空腔体内，所述气管伸入所述真空腔体内的部分为内管，所述内管的朝向所述工件转架的管壁开有若干通孔，若干所述通孔的孔径沿所述气管高度方向从下到上依次增加。

7.如权利要求6所述的类金刚石薄膜的沉积设备，其特征在于，所述工件转架上安装有多个用于悬挂工件的圆形的挂架，多个所述挂架等距设置，所述内管的高度大于所述挂架的高度。

8.如权利要求1-7中任一项所述的类金刚石薄膜的沉积设备，其特征在于，所述沉积壳体上设置有用于放置弧靶的第二凸腔。

9.如权利要求8所述的类金刚石薄膜的沉积设备，其特征在于，所述沉积壳体为轴对称的结构，所述第一凸腔和第二凸腔对称设置，所述抽真空口和所述进出货炉门相对设置。

10.如权利要求1-7中任一项所述的类金刚石薄膜的沉积设备，其特征在于，所述类金刚石薄膜的沉积设备还包括抽真空系统，所述抽真空系统通过所述抽真空口与所述真空腔体连通；所述进出货炉门上设置有观察窗。