類金剛石薄膜的製作方法

2023-10-11 00:40:39 2

本發明涉及薄膜材料技術領域，特別是涉及類金剛石薄膜。

背景技術：

隨著各項技術的不斷發展以及使用條件和場所的複雜化，目前市場對應用於鐘錶、手機等3c電子產品及其它高端裝飾鍍領域的裝飾性薄膜要求越來越高，除了對顏色、外觀有著苛刻的要求外，對薄膜的耐磨損、抗刮傷、耐腐蝕以及化學穩定性等也有著嚴格的要求。

類金剛石碳膜(diamond-like-carbon,下文用簡稱dlc)是一種由c元素構成，在性質上和金剛石類似，同時又具有石墨原子組成結構的非晶態薄膜。dlc薄膜具有高硬度和高彈性模量、低摩擦係數、耐磨損、耐腐蝕、表面光潔度好等優點，可以滿足上面提到的各項要求。

如上所述，dlc薄膜是一種具有高硬度、低摩擦係數的非晶態碳膜，所以其膜層結構、熱膨脹係數等與常規的金屬基材及金屬氮化物、碳化物等過渡層存在較大差異，導致常規dlc薄膜的層間結合力較差。

另外，常規方法製備的dlc薄膜顏色不夠深，l值一般在48～55之間，顏色發灰，不夠美觀，這就限制了其在對顏色外觀要求非常苛刻的裝飾鍍領域的應用。對於用磁控濺射方法製備高質量含氫dlc薄膜的過程，實際很難通過摻雜其它元素改變其顏色，因為在大量碳源氣體存在的條件下，靶材極容易中毒。通過在dlc層表面用反應磁控濺射等技術沉積常規的pvd薄膜雖然可以獲得不同的顏色，但又存在pvd薄膜與dlc層結合力不好的問題，同時面層薄膜也失去了dlc薄膜特有的耐磨損、抗刮傷、耐腐蝕及化學穩定性等特性。

技術實現要素：

基於此，有必要提供一種層間結合力強，具有高硬度、高光潔度、低摩擦係數、耐腐蝕等優點，且顏色可控的類金剛石薄膜。

一種類金剛石薄膜，包括：

沉積於基材之上的金屬打底層；

沉積於所述金屬打底層之上的金屬碳化物過渡層；

沉積於所述金屬碳化物過渡層之上的第一類金剛石層，該第一類金剛石層為含氫類金剛石層；

沉積於所述第一類金剛石層之上的第二類金剛石層，該第二類金剛石層為含氫類金剛石層，其折射率小於第一類金剛石層。

本發明的類金剛石薄膜，通過合理控制膜層結構和金屬碳化物過渡層，使該過渡層能夠與其上的第一類金剛石層達到良好的結合。同時，在第一類金剛石層的基礎上進一步設置第二類金剛石層，其中，第一類金剛石層為功能層，主要用以獲得薄膜的高硬度、低摩擦係數、耐腐蝕性能，第二類金剛石層為顏色控制層，通過調節該層的折射率和厚度，可根據需要對薄膜的顏色進行控制，且第一類金剛石層和第二類金剛石層均為含氫類金剛石，除了碳、氫元素外，沒有額外引入其他元素，達到在確保層間結合力良好的情況下控制類金剛石薄膜顏色的目的，同時保證了類金剛石薄膜整體的高硬度、低摩擦係數、耐腐蝕性能和化學穩定性及光潔度。

本發明的類金剛石薄膜能夠廣泛應用於高端裝飾鍍領域，特別適用於對顏色外觀及可靠性能要求都非常苛刻的裝飾鍍領域，如鐘錶、手機或其它電子產品，以及其它飾物、工藝品等。可通過調節第一類金剛石層和第二類金剛石層的折射率和膜厚控制整體薄膜的顏色。

在其中一個實施例中，所述金屬碳化物過渡層中c含量為2％～50％，且由所述金屬打底層向所述第一類金剛石層方向逐漸遞增。合理控制過渡結構中的c含量，能夠提高其與兩層類金剛石層的結合力。所述金屬碳化物過渡層製備時採用漸增方式通入碳源氣體，以實現c含量的漸變遞增。

在其中一個實施例中，所述第二類金剛石層的折射率為1.7～2.2，所述第一類金剛石層的折射率為1.9～2.5。

在其中一個實施例中，所述第二類金剛石層的厚度為0.05～0.5μm。

在其中一個實施例中，所述第一類金剛石層的厚度為1～6μm。

進一步合理控制第一類金剛石層和第二類金剛石層的厚度和折射率，使膜層結構差異化，能夠獲得美觀的深色色系外光。

在其中一個實施例中，所述金屬打底層的厚度為0.1～2μm，所述金屬碳化物過渡層的厚度為0.1～3μm。

對各層厚度進行優選，能夠提高薄膜整體的綜合性能，如硬度、耐腐蝕性等。

在其中一個實施例中，所述金屬碳化物過渡層中的金屬為cr、ti、w、zr中的一種或多種。進一步對金屬碳化物過渡層中的金屬進行篩選，可提高過渡結構各層之間的結合力。

在其中一個實施例中，所述金屬碳化物過渡層中的金屬為cr、w中的一種或多種。

在其中一個實施例中，所述金屬打底層的材料為cr或ti。

在其中一個實施例中，其顏色範圍為：l值介於36～43之間可調，a值介於+1.5～-2之間可調，b值介於+6～-4之間可調。本發明的類金剛石薄膜可在一定範圍內對顏色進行控制調節，製得所需的顏色較深的薄膜。

附圖說明

圖1為本發明一實施例中的dlc薄膜的結構示意圖；

其中，1、基材；2、金屬打底層；3、金屬碳化物過渡層；4、功能性dlc層；5、顏色控制dlc層；a、採用磁控濺射pvd方式沉積的膜層；b、採用pacvd方式沉積的膜層。

具體實施方式

以下結合具體實施例對本發明的類金剛石(dlc)薄膜作進一步詳細的說明。

實施例1

本實施例一種類金剛石(dlc)薄膜，其結構如圖1所示，包括：

基材1；

沉積於基材之上的金屬打底層2，厚度為0.4μm；

沉積於金屬打底層2之上的金屬碳化物過渡層3，金屬碳化物過渡層3中c含量為2％～50％漸變遞增，且依次由金屬打底層2朝第一dlc層4方向呈漸變遞增；金屬碳化物過渡層3的總厚度為1μm；在進行金屬碳化物過渡層3的製備時，c2h2、ch4等碳源氣體採用漸增的方式進行供氣；具體地，金屬碳化物過渡層3可為一層單元過渡層或由兩層以上層疊設置的單元過渡層形成；

沉積於金屬碳化物過渡層3之上的第一dlc層4，該第一dlc層4為功能性dlc層，是含氫dlc薄膜，厚度為1.8μm，折射率為2.5；

沉積於第一dlc層4之上的第二dlc層5，該第二dlc為顏色控制dlc層，也是含氫dlc薄膜，其厚度為0.07μm，折射為2.2。

上述dlc薄膜，可採用常規的物理氣相沉積技術進行製備，本實施例採用磁控濺射pvd+pacvd相結合的製備技術，包括如下步驟：

第一步：將基材進行前清洗處理，去除基材表面的髒汙、油漬及其它殘留異物。

第二步：將經檢驗清洗合格的基材放置到真空室內抽真空及預熱，本底真空壓力不高於8.0×10-3pa，預熱溫度根據實際需要可在50～300℃之間。

第三步：進行弧靶轟擊處理，以活化基材表面，同時也可以更進一步清除基材表面的殘留異物。

第四步：磁控濺射pvd技術沉積金屬打底層，以改善後續沉積的膜層與基材的結合力。本實施例用cr靶進行沉積，同時在沉積過程中對基材施加-50～-200v的偏壓。

第五步：磁控濺射pvd技術沉積金屬碳化物過渡層，該層靶材可為cr、ti、w、zr中的一種或多種，本實施例用cr靶進行沉積，通入c2h2、ch4等碳源氣體，對基材施加-50～-400v的偏壓。其中，碳源氣體可採用漸增方式供氣形成單層的單元過渡層，同時也可通過調節不同碳源氣體的分壓形成多層單元過渡層疊加的結構。控制表層的金屬碳化物過渡層中的c含量(本實施例中過渡層最表面的c含量為50％)及偏壓參數，可使其與第一dlc層達到良好的結合。

第六步：pacvd技術沉積功能性dlc層(第一dlc層)，該層主要決定了整個dlc薄膜的硬度、耐腐蝕性及顏色穩定性等性能。在腔室中通入ar氣及c2h2、ch4等碳源氣體，對工件施加-300～-1500v的偏壓，所得到的dlc薄膜為含氫的dlc薄膜。該層的沉積過程主要為氣態的pacvd過程，顏色一致性和重複性非常好，所以在面層施加顏色控制dlc層之後，可以保證同一批次貨件間的顏色一致性和不同批次之間的顏色重複性。

第七步：pacvd技術沉積顏色控制dlc層(第二dlc層)，該層也是含氫的dlc薄膜，通過對第六步中第一dlc層的沉積參數，包括成膜壓力、偏壓、溫度等參數進行常規調整，使該第一dlc層的折射率小於第一dlc層的折射率，並且控制其膜厚，最終獲得具有深色外觀的dlc薄膜，顏色穩定，且對整體的dlc薄膜性能沒有明顯的影響。

第八步：顏色測量、外觀檢查及可靠性測試。

實施例2

本實施例一種類金剛石(dlc)薄膜，包括：

基材；

沉積於基材之上的金屬打底層，其用ti靶進行磁控濺射沉積，同時在沉積過程中對基材施加-50～-200v的偏壓，厚度為0.3μm；

沉積於金屬打底層之上金屬碳化物過渡層，所述金屬碳化物過渡層中c含量為2％～50％逐漸遞增，且依次由金屬打底層朝第一dlc層方向呈漸變遞增；其用cr靶+w靶進行反應磁控濺射沉積，c2h2、ch4等碳源氣體採用漸增方式進行供氣，對基材施加-50～-400v的偏壓，金屬碳化物過渡層的厚度為1.2μm；

沉積於所述金屬碳化物過渡層之上的第一dlc層，折射率為2.3，厚度為2μm；

沉積於所述第一dlc層之上的第二dlc層，折射率為2.0，厚度為0.09μm。

上述dlc薄膜的製備方法類似實施例1。

實施例3

本實施例一種類金剛石(dlc)薄膜，包括：

基材；

沉積於基材之上的金屬打底層，其用ti靶進行磁控濺射沉積，同時在沉積過程中對基材施加-50～-200v的偏壓，厚度為2μm；

沉積於金屬打底層之上的金屬碳化物過渡層，所述金屬碳化物過渡層中c含量為2％～50％逐漸遞增，且依次由金屬打底層朝第一dlc層方向呈漸變遞增；其用cr靶+w靶進行反應磁控濺射沉積，c2h2、ch4等碳源氣體採用漸增方式進行供氣，對基材施加-50～-400v的偏壓，金屬碳化物過渡層的厚度為0.1μm；

沉積於所述金屬碳化物過渡層之上的第一dlc層，折射率為1.9，厚度為6μm；

沉積於所述第一dlc層之上的第二dlc層，折射率為2.1，厚度為0.5μm。

上述dlc薄膜的製備方法類似實施例1。

對比例1

本對比例一種類金剛石薄膜，其結構類似實施例1，區別在於：未設置第二dlc層5。

對比例2

本對比例一種類金剛石薄膜，其結構類似實施例1，區別在於：未設置第一dlc層4。

對實施例1-3和對比例1-2進行性能測試，結果如下：

以上所述實施步驟僅僅是為清楚地說明本發明所作的特定實例描述，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。