一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法與流程

本發明及真空鍍膜領域的一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法。

背景技術：

目前的手機等電子消費產品上，曲面屏幕已經開始大量使用，而在曲面屏幕的制作上，仍有制約其大規模使用的技術瓶頸。

在制作曲面屏幕時，通常采用在高溫無氧的環境下或高溫氮氣氣氛保護的環境下，使用石墨模具壓制軟化后的玻璃材料，再對玻璃材料進行拋光處理，因為石墨材料本身的局限性，制程會出現幾大問題：

第一，石墨模具壽命短：在650℃下通常只能壓制幾千片曲面屏幕。

第二，成品率低：由于石墨本身質地疏松的材料，易出現粉塵，即便表面拋光處理過，在壓制過程中，隨著使用時間的延長，曲屏屏幕表面沾上的石墨顆粒物越來越多，極大加劇了拋光的難度，大幅度降低了良品率；

基于這兩個問題，曲面屏幕的成本居高不下，大大影響了2.5D和3D曲面屏幕的應用和成本。為了提高曲面屏幕的硬度，導致某些曲面屏幕壓制的溫度已經被提高至850-900℃。在此溫度下，石墨模具的壽命會進一步下降。

為了提高石墨模具的壽命，通常的做法是在石墨模具的表面涂覆類金剛石薄膜。這種薄膜表面必須相當平整無缺陷且耐高溫，但是目前的類金剛石薄膜還做不到。

過濾陰極真空電弧沉積鍍膜工藝是將真空電弧鍍膜源產生的等離子體，借助負偏置電壓等吸引至石墨基材上，并在石墨基材表面上形成薄膜的一種方法。其中，真空電弧鍍膜源通過真空電弧放電蒸發陰極靶，由此產生含有陰極靶材料的等離子體。過濾陰極真空電弧沉積鍍膜工藝具有離化率高、離子能量高、沉積溫度低、沉積速率高、膜基結合好，沉積薄膜表面平整等一系列優點，因此，是目前沉積TAC類金剛石薄膜最有前途的方法之一。但是，在薄膜沉積過程中，陰極表面電弧斑放電劇烈，在產生高密度等離子體的同時也產生大量的宏觀大顆粒，即直徑約為幾微米至幾十微米的大顆粒。宏觀大顆粒與等離子體在石墨基材上的協同沉積，常常使薄膜表面粗糙度增加，膜基結合力下降，影響高質量薄膜的獲得，這是對曲面屏幕進行壓制的石墨模具所最忌諱的。

目前，減少宏觀大顆粒協同沉積的方法為利用帶有外加勵磁線圈的磁過濾彎管，在傳輸過程中將宏觀大顆粒在一定程度上過濾掉，避免其沉積到石墨基材表面，其機理是在外加磁場作用下，宏觀大顆粒由于電荷中性，在慣性作用下直接濺射到磁過濾彎管的管壁上被過濾掉，而質量小的離子束則在磁場作用下，順利通過磁過濾彎管到達石墨基材表面，從而獲得高質量的薄膜。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法，使得類金剛石薄膜鍍于石墨基材上后，能在的600～900℃無氧環境下，對石墨基材起到保護作用。

實現上述目的的一種技術方案是：一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法，包括下列步驟：

超聲波清洗步驟：對石墨基材表面進行超聲波清洗；

離子刻蝕步驟：將石墨基材放入鍍膜腔體，將所述鍍膜腔體抽真空至6.0×10^-3Pa，對所述石墨基材表面進行離子刻蝕；

底層鍍膜步驟：將所述鍍膜腔體抽真空至2.66×10^-3Pa，對所述石墨基材進行底層鍍膜，底層鍍膜得到的底層為SiC層，AlTi層、AlTiN層、Si層或SiN層中的一種；

功能層鍍膜步驟：在所述底層表面進行功能層鍍膜，得到的功能層為含氫或不含氫的類金剛石層或者金屬摻雜的類金剛石層；

取料步驟：對所述鍍膜腔體泄真空，取出樣品。

進一步的，超聲波清洗步驟中，超聲波清洗的時間為0.5～1h，超聲波的頻率為28kHz-80k Hz，清洗完畢在80～100℃下烘烤所述石墨基材四小時以上，將所述石墨基材烘干。

進一步的，所述底層鍍膜步驟的反應氣體是氮氣或乙炔。

進一步的，所述底層鍍膜步驟采取的工藝為磁控濺射鍍膜工藝、過濾陰極電弧沉積鍍膜工藝、多弧離子鍍膜工藝或化學氣相沉積鍍膜工藝中的一種。

進一步的，所述功能層鍍膜步驟采取的工藝為過濾陰極真空沉積鍍膜工藝、多弧離子鍍膜工藝或化學氣相沉積鍍膜工藝中的一種。

進一步的，離子刻蝕步驟、底層鍍膜步驟和功能層鍍膜步驟在同一臺鍍膜設備內進行；

該鍍膜設備包括鍍膜腔體，所述鍍膜腔體內設有轉架；

圍繞所述鍍膜腔體的圓周，依次設有第二彎管連接口、第一彎管連接口、第三彎管連接口、第四彎管連接口、第六彎管連接口和第五彎管連接口，所述第三彎管連接口和所述第四彎管連接口之間相差一個用于安裝真空泵的工位；

所述第一至第六彎管連接口對應通過第一至第六磁過濾彎管連接對應的真空電弧鍍膜源，所述第一至第六磁過濾彎管上均纏繞勵磁線圈；

所述第一磁過濾彎管、所述第二磁過濾彎管和所述第四磁過濾彎管上勵磁線圈的電流方向不同于所述第三磁過濾彎管、所述第五磁過濾彎管和所述第六磁過濾彎管上勵磁線圈的電流方向；

所述第一彎管連接口和所述第六彎管連接口的水平高度，所述第三彎管連接口和所述第四彎管連接口的水平高度，以及所述第二彎管連接口和所述第五彎管連接口的水平高度，均是不同的。

采用了本發明的一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法的技術方案，包括下列步驟：超聲波清洗步驟：對石墨基材表面進行超聲波清洗；離子刻蝕步驟：將石墨基材放入鍍膜腔體，將所述鍍膜腔體抽真空至6.0×10^-3Pa，對所述石墨基材表面進行離子刻蝕；底層鍍膜步驟：將所述鍍膜腔體抽真空至2.66×10^-3Pa，對所述石墨基材進行底層鍍膜，底層鍍膜得到的底層為SiC層，AlTi層、AlTiN層、Si層或SiN層中的一種；功能層鍍膜步驟：在所述底層表面進行功能層鍍膜，得到的功能層為含氫或不含氫的類金剛石層或者金屬摻雜的類金剛石層；取料步驟：對所述鍍膜腔體泄真空，取出樣品。其技術效果是：使得類金剛石薄膜鍍于石墨基材上后，能在的600～900℃無氧環境下，對石墨基材起到保護作用。

附圖說明

圖1為本發明的一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法制得的類金剛石薄膜的結構示意圖。

圖2為本發明的一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法流程圖。

圖3為本發明的一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法使用的鍍膜設備的結構示意圖。

圖4為本發明的一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法使用的鍍膜設備中磁過濾彎管的結構示意圖。

具體實施方式

請參閱圖1，本發明的發明人為了能更好地對本發明的技術方案進行理解，下面通過具體地實施例，并結合附圖進行詳細地說明：

通過本發明的一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法制得的類金剛石薄膜包括涂覆在石墨基材401表面的底層402以及涂覆在底層表面的功能層403。底層402的作用是為了實現功能層403在石墨基材401表面的附著，加強功能層403在高溫下的穩定性。其中底層402可以為SiC層，AlTi層、AlTiN層、Si層或SiN層中的一種，采用的鍍膜工藝為磁控濺射工藝，或者多弧離子鍍工藝，或者真空氣相沉積鍍膜工藝。底層402的厚度在5.0μm以內。

功能層403為類金剛石碳膜，可采用的鍍膜工藝包括物理氣相沉積鍍膜工藝、化學氣相沉積鍍膜工藝，制作的可以是含氫或不含氫的類金剛石層或者金屬摻雜的類金剛石層。功能層403的厚度在5.0um以內。

本發明的一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法，包括下列步驟：

超聲波清洗步驟：使用無水乙醇對石墨基材進行超聲波清洗，以去除石墨基材表面顆粒灰塵等臟物；超聲波清洗的時間為0.5～1h，超聲波的頻率為28kHz-80kHz。再在80～100℃下烘烤石墨基材，將石墨基材完全烤干，烘干的時間為約四小時以上。將石墨基材裝夾至夾具。此步驟的目的在于去除石墨基材表面的雜質，克服雜質對薄膜與石墨基材之間的結合力的影響。

離子刻蝕步驟：打開類金剛石鍍膜設備的鍍膜腔體的腔體門，將清洗后的石墨基材連同夾具一起裝入類金剛石鍍膜設備的鍍膜腔體，關上鍍膜腔體的腔體門，對鍍膜腔體抽真空，當鍍膜腔體內的真空度達到6.0×10^-3Pa以下時，可對石墨基材進行離子刻蝕，抽真空的同時，對鍍膜腔體進行加熱，使鍍膜腔體內的溫度維持在80～85℃。該步驟的目的在于增加石墨基材的表面積，增強類金剛石薄膜對石墨基材的結合力。

底層鍍膜步驟：繼續將鍍膜腔體的真空度抽真空至2.66×10^-3Pa以下，采用位于鍍膜腔體中的磁控濺射源對石墨基材進行磁控濺射鍍膜，在石墨基材的表面形成底層，磁控濺射鍍膜過程中所采用的反應氣體為乙炔或氮氣，磁控濺射過程中的溫度為室溫到200℃。鍍膜腔體內可填裝多個磁控濺射源，因此可在石墨基材的表面形成的底層的組成也可調整，類金剛石薄膜的底層可以為：SiC層，AlTi層、AlTiN層、Si層或SiN層中的一種。當然，底層鍍膜也可通過過濾陰極電弧沉積鍍膜工藝，多弧離子鍍膜工藝或化學氣相沉積鍍膜工藝等工藝進行。

功能層鍍膜步驟：采用與鍍膜腔體連通的真空電弧鍍膜源對石墨基材進行過濾陰極電弧沉積鍍膜，在底層的表面形成了功能層，過濾陰極電弧沉積鍍膜的溫度為80～85℃。鍍膜腔體內可連通多個真空電弧鍍膜源，因此可在底層的表面形成了功能層的組成也可調整，類金剛石薄膜的功能層可以為：含氫或不含氫的類金剛石層或者金屬摻雜的類金剛石層。當然，功能層鍍膜也可通過多弧離子鍍膜工藝或化學氣相沉積鍍膜工藝等工藝進行。

取料步驟：功能層沉積完成后，對鍍膜設備泄真空，將樣品取出，鍍膜完成。

本發明的一種石墨基材上的耐高溫類金剛石涂層方法所采用的鍍膜設備，包括鍍膜腔體1，鍍膜腔體1內設有轉架，圍繞鍍膜腔體1的圓周，依次設有第二彎管連接口12、第一彎管連接口11、第三彎管連接口13、第四彎管連接口14、第六彎管連接口16和第五彎管連接口15。在鍍膜腔體1的圓周上，第三彎管連接口13和第四彎管連接口14之間相差一個工位，該工位安裝真空泵。

第一彎管連接口11通過第一磁過濾彎管21連接第一真空電弧鍍膜源31，第二彎管連接口12通過第二磁過濾彎管22連接第二真空電弧鍍膜源32，第三彎管連接口13通過第三磁過濾彎管23連接第三真空電弧鍍膜源33，第四彎管連接口14通過第四磁過濾彎管24連接第四真空電弧鍍膜源34，第五彎管連接口15通過第五磁過濾彎管25連接第五真空電弧鍍膜源35，第六彎管連接口16通過第六磁過濾彎管26連接第六真空電弧鍍膜源36，從而使第一真空電弧鍍膜源31、第二真空電弧鍍膜源32、第三真空電弧鍍膜源33、第四真空電弧鍍膜源34、第五真空電弧鍍膜源35和第六真空電弧鍍膜源36連通鍍膜腔體1。

第一磁過濾彎管21、第二磁過濾彎管22、第三磁過濾彎管23、第四磁過濾彎管24、第五磁過濾彎管25和第六磁過濾彎管26上均設有勵磁線圈，用于在第一磁過濾彎管21、第二磁過濾彎管22、第三磁過濾彎管23、第四磁過濾彎管24、第五磁過濾彎管25和第六磁過濾彎管26中生成磁場。

第一磁過濾彎管21、第二磁過濾彎管22和第四磁過濾彎管24上勵磁線圈的電流方向不同于第三磁過濾彎管23、第五磁過濾彎管25和第六磁過濾彎管26上勵磁線圈的電流方向；因此第一磁過濾彎管21、第二磁過濾彎管22和第四磁過濾彎管24中磁場的磁場方向相反于第三磁過濾彎管23、第五磁過濾彎管25和第六磁過濾彎管26中磁場的磁場方向。

第一種情況，第一真空電弧鍍膜源31、第二真空電弧鍍膜源32和第四真空電弧鍍膜源34，即第一磁過濾彎管21、第二磁過濾彎管22和第四磁過濾彎管24的A端為磁場的N極；第一彎管連接口11、第二彎管連接口12和第四彎管連接口14，即第一磁過濾彎管21、第二磁過濾彎管22和第四磁過濾彎管24的B端為磁場的S極；第一磁過濾彎管21、第二磁過濾彎管22和第四磁過濾彎管24上勵磁線圈的電流方向均為逆時針。

第三真空電弧鍍膜源33、第五真空電弧鍍膜源35和第六真空電弧鍍膜源36，即第三磁過濾彎管23、第五磁過濾彎管25和第六磁過濾彎管26的A端為磁場的S極；第三彎管連接口13、第五彎管連接口15和第六彎管連接口16，即第三磁過濾彎管23、第五磁過濾彎管25和第六磁過濾彎管26的B端為磁場的N極；第三磁過濾彎管23、第五磁過濾彎管25和第六磁過濾彎管26上勵磁線圈的電流方向均為順時針。

第二種情況：第一真空電弧鍍膜源31、第二真空電弧鍍膜源32和第四真空電弧鍍膜源34，即第一磁過濾彎管21、第二磁過濾彎管22和第四磁過濾彎管24的A端為磁場的S極；第一彎管連接口11、第二彎管連接口12和第四彎管連接口14，即第一磁過濾彎管21、第二磁過濾彎管22和第四磁過濾彎管24的B端為磁場的N極；第一磁過濾彎管21、第二磁過濾彎管22和第四磁過濾彎管24上勵磁線圈的電流方向均為順時針。

第三真空電弧鍍膜源33、第五真空電弧鍍膜源35和第六真空電弧鍍膜源36，即第三磁過濾彎管23、第五磁過濾彎管25和第六磁過濾彎管26的A端為磁場的N極；第三彎管連接口13、第五彎管連接口15和第六彎管連接口16，即第三磁過濾彎管23、第五磁過濾彎管25和第六磁過濾彎管26的B端為磁場的S極；第三磁過濾彎管23、第五磁過濾彎管25和第六磁過濾彎管26上勵磁線圈的電流方向均為逆時針。

第一彎管連接口11和第六彎管連接口16等高，為第一組彎管連接口，均設置于鍍膜腔體1外圓周壁的下部。第三彎管連接口13和第四彎管連接口14等高，為第二組彎管連接口，均位于鍍膜腔體1外圓周壁的中部。第二彎管連接口12和第五彎管連接口15等高，為第三組彎管連接口，均位于鍍膜腔體1外圓周壁的上部。

上述的設計，消除了磁過濾彎管的勵磁線圈之間的干擾，因此鍍膜設備上，磁過濾彎管，以及與磁過濾彎管對應的真空電弧鍍膜源和彎管連接口的數量均可相應增加，從目前的一至三根磁過濾彎管，以及與磁過濾彎管對應的真空電弧鍍膜源和彎管連接口，增加到六根甚至更多的磁過濾彎管，以及與磁過濾彎管對應的真空電弧鍍膜源和彎管連接口。同時鍍膜腔體1內轉架的直徑從750mm增加到1.2m，轉架可鍍膜的高度從原來的300mm增加到900mm。因此鍍膜腔體1的裝爐量提升，可以進行更大面積的沉積薄膜，鍍膜腔體1內可填裝更多的磁控濺射源，從目前的一至二個增加到四對。相應地，隨著真空電弧鍍膜源和磁控濺射源數量的增加，也為今后進行工藝改進，進行成分更為復雜的薄膜的鍍膜，尤其是在各種基材表面進行類金剛石薄膜的鍍膜提供了可能。

第一真空電弧鍍膜源31，第二真空電弧鍍膜源32，第三真空電弧鍍膜源33，第四真空電弧鍍膜源34，第五真空電弧鍍膜源35和第六真空電弧鍍膜源36中可以安裝石墨靶材，以制備優質的類金剛石薄膜。

所述磁控濺射源可以是鋁源、硅源、鈦源、鉻源、碳源等的任意組合，以使基材表面沉積的底層為SiC層，AlTi層、AlTiN層、Si層或SiN層、Cr層、CrN層、Ti層等。

此外鍍膜腔體1中還設有對基材進行離子刻蝕的離子刻蝕設備，在對基材進行底層鍍膜前，對基材進行離子刻蝕，增強類金剛石薄膜與基材之間的結合力。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，而并非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明的權利要求書范圍內。