碳化硅硬质膜的制备方法及玻璃与流程

本发明涉及真空镀膜领域，尤其涉及一种碳化硅硬质膜的制备方法及玻璃。

背景技术：

玻璃在LED芯片、摄像头、指纹识别盖板等领域具有广泛的应用。然而普通玻璃表面的硬度较低，远不及蓝宝石材质，在玻璃上镀光学膜层时，膜层表面硬度也不高、在加工和使用中，很容易造成玻璃表面划伤，留下划痕。所以在玻璃表面或膜层表面增加硬质膜层，改善耐划伤性能的研究很受关注。目前增加玻璃表面硬度的方法多为用喷涂或蒸发镀膜工艺制备氧化铝薄膜，或是通过真空溅镀氮化硅膜，然而氮化硅膜不耐磨，且提高表面硬度的能力有限。而喷涂镀膜工艺一般以氧化铝粉体为原料进行加工的工艺，得到的膜层厚度较厚，一般为50nm以上，附着力也欠佳，外观质量很难达到光学玻璃的要求。蒸发镀膜工艺则通过高能电子枪将氧化铝块体或粉体材料进行轰击，然后沉积在基板表面，一般只能加工小尺寸基板，很难对大尺寸的玻璃基板进行镀膜加工，并且膜层耐磨性较差。以上几种方法制备的硬质膜层只有达到纳米级别的厚度后才能达到保护玻璃基板的作用。然而附加的硬质膜厚度太厚，由于硬质膜本身材质的吸收，将影响玻璃基板整体的光学性能，从而限制其应用。

综上，传统的方法制备的硬质膜层较厚，一般需要达到几百纳米甚至几微米的厚度后才能达到保护玻璃基板的作用。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能够制备厚度较薄的碳化硅硬质膜的制备方法及玻璃。

一种碳化硅硬质膜的制备方法，包括如下步骤：

提供衬底；以及

将所述衬底置于磁控溅射设备腔体内，真空条件下，以含有碳原子数为1～4的有机气体为反应气体，以含有氩气的气体为工艺气体，采用硅靶作为溅射靶材，控制反应温度为100℃～300℃，在所述衬底上磁控溅射沉积碳化硅硬质膜。

在一个实施方式中，所述反应气体与所述工艺气体的体积比为0.4～4:1。

在一个实施方式中，所述碳原子数为1～4的有机气体选自甲烷和乙炔中的至少一种。

在一个实施方式中，所述反应气体为甲烷或者乙炔，所述工艺气体为氩气，所述甲烷或者乙炔占所述工艺气体和所述反应气体总体积百分含量的30％～80％。

在一个实施方式中，所述硅靶中硅的百分含量为99％以上。

在一个实施方式中，所述在所述衬底上磁控溅射沉积碳化硅硬质膜的操作中，溅射功率为2kW～5kW。

在一个实施方式中，所述真空条件的真空度为1×10^-3mbar～5×10^-3mbar。

在一个实施方式中，所述碳化硅硬质膜的厚度为以下。

在一个实施方式中，所述衬底为玻璃基板。

一种玻璃，包括玻璃基板以及层叠在所述玻璃基板上的碳化硅硬质膜，其中，所述碳化硅硬质膜采用上述的碳化硅硬质膜的制备方法制备得到。

上述碳化硅硬质膜的制备方法，以碳原子数为1～4的有机气体为反应气体，以含有氩气的气体为工艺气体，采用硅靶作为溅射靶材，控制反应温度为100℃～300℃，在衬底上磁控溅射沉积碳化硅硬质膜。在电场的作用下，氩气中氩原子电离产生出Ar+离子和电子，Ar+离子在电场作用下加速飞向硅靶，并以高能量轰击硅靶表面，使硅靶发生溅射，产生溅射粒子，碳原子数为1～4的有机气体能够与溅射粒子发生化学反应，从而在衬底上沉积形成碳化硅硬质膜。这种方法能够制备厚度为以下的较薄的碳化硅硬质膜，膜层厚度为纳米级别，当碳化硅硬质膜厚度仅为(埃)左右时莫氏硬度即可达到6级，明显提升玻璃表面的硬度，改善玻璃表面抗划伤性能，有效保护玻璃基板。

附图说明

图1为一实施方式的碳化硅硬质膜的制备方法的流程图；

图2为一实施方式的玻璃的结构示意图。

具体实施方式

下面主要结合附图及具体实施例对碳化硅硬质膜的制备方法及玻璃作进一步详细的说明。

如图1所示的一实施方式的碳化硅硬质膜的制备方法，包括如下步骤：

S10、提供衬底。

衬底可以为任意的需要镀硬质膜的元件，例如玻璃、金属板、合金板以及柔性基板等等。

在一个实施方式中，衬底为玻璃基板。

S20、将衬底置于磁控溅射设备腔体内，真空条件下，以含有碳原子数为1～4的有机气体为反应气体，以含有氩气的气体为工艺气体，采用硅靶作为溅射靶材，控制反应温度为100℃～300℃，在衬底上磁控溅射沉积碳化硅硬质膜。

具体的，反应气体和工艺气体可以采用相同的管道通入磁控溅射设备腔体内，也可以分别通入。本实施方式中，采用两个管道通入，方便调控气体的流量。

具体的，反应气体与工艺气体的体积比为0.4～4:1。进一步的，反应气体与工艺气体的体积比为0.5～2:1。进一步的，反应气体与工艺气体的体积比为0.8～1.2:1。

反应气体中含有碳原子数为1～4的有机气体，在磁控溅射设备腔体内形成有机气体的氛围，有机气体中含有碳(C)原子，在特定的条件下与溅射粒子硅(Si)发生化学反应，从而在衬底上沉积形成碳化硅(SiC))硬质膜。可以理解，反应气体中也还可以含有其他气体，其他气体可作为载气气体，例如氩气(Ar)、氖气(Ne)等气体。

工艺气体中含有氩气(Ar)，氩气(Ar)中氩原子电离产生出Ar+离子和电子，Ar+离子在电场作用下加速飞向硅靶，轰击硅靶表面。当然，工艺气体也还可以含有其他的气体，例如氖气(Ne)等气体。

其中，碳原子数为1～4的有机气体例如可以为甲烷(CH₄)，乙烷(C₂H₆)，乙烯(C₂H₄)，乙炔(C₂H₂)，丙烷(C₃H₈)，丁烯(C₄H₈)，正丁烷(n-C₄H₁₀)，异丁烷(i-C₄H₁₀)，丙烯(C₃H₆)或环丙烷(C₃H₆)等等。通入到磁控溅射设备腔体内的反应气体中可以含有一种有机气体，也可以是两种或两种以上的有机气体的混合气体。有机气体中含有碳(C)原子，在特定的条件下与溅射粒子硅(Si)发生化学反应，从而在衬底上沉积形成碳化硅(SiC))硬质膜。

具体的，碳原子数为1～4的有机气体选自甲烷(CH₄)和乙炔(C₂H₂)中的至少一种。例如可以是单独的甲烷(CH₄)或者单独的乙炔(C₂H₂)作为反应气体，或者以甲烷(CH₄)与乙炔(C₂H₂)的混合气体作为反应气体。

具体的，碳原子数为1～4的有机气体的占工艺气体和反应气体总体积百分含量的30％～80％。即假定能够把磁控溅射设备腔体内的混合气体按不同的气体分开，碳原子数为1～4的有机气体的体积除以工艺气体和反应气体的总体积为30％～80％。有机气体的百分含量可以通过通入磁控溅射设备腔体内的气体的气流量大小来调节。

在一个实施方式中，碳原子数为1～4的有机气体的气流量占工艺气体和反应气体总体积百分含量的40％～60％。在另一个实施方式中，碳原子数为1～4的有机气体的气流量占工艺气体和反应气体总体积百分含量的30％～50％。

在一个实施方式中，反应气体为甲烷(CH₄)，工艺气体为氩气(Ar)，甲烷(CH₄)占工艺气体和反应气体总体积百分含量的40％～60％。甲烷(CH₄)占工艺气体和反应气体总体积百分含量的45％～50％。

在另一个实施方式中，反应气体为乙炔(C₂H₂)，工艺气体为氩气(Ar)，乙炔(C₂H₂)占工艺气体和反应气体总体积百分含量的40％～60％。进一步的，乙炔(C₂H₂)占工艺气体和反应气体总体积百分含量的45％～50％。

具体的，甲烷(CH₄)或乙炔(C₂H₂)的百分含量可以通过通入磁控溅射设备腔体内气体的气流量大小来调节。例如，甲烷(CH₄)的气流量为100sccm，氩气(Ar)的气流量为100sccm，可得到甲烷(CH₄)的百分含量为50％的气体氛围。相应的，乙炔(C₂H₂)的气流量为100sccm，氩气(Ar)的气流量为100sccm，可得到乙炔(C₂H₂)的百分含量为50％的气体氛围。

具体的，硅靶中硅的百分含量为99％以上。本发明的碳化硅硬质膜的制备方法可直接采用硅靶(Si)作为靶材，以碳原子数为1～4的有机气体为反应气体，从而能够制备较薄的碳化硅硬质膜。相比采用氮化硅作为靶材制备的氮化硅膜层的厚度小，硬度高。

具体的，在衬底上磁控溅射沉积碳化硅硬质膜的操作中，溅射功率为2kW～5kW。2kW～5kW的溅射功率，能够较好的使硅靶发生溅射，使得制备的碳化硅硬质膜层均匀，厚度较薄。

具体的，真空条件的真空度为1×10^-3mbar～5×10^-3mbar。进一步的，真空条件的真空度为2×10^-3mbar～4×10^-3mbar。

具体的，制备得到的碳化硅硬质膜的厚度为以下。通过本发明的方法，可以制备得到厚度为以下的超薄碳化硅硬质膜，相比喷涂或蒸发镀膜工艺制备硬质膜层，厚度明显减小，利于玻璃的轻薄化发展，提升整体的光学性能。

在一个实施方式中，通过本发明的方法，可以制备得到厚度为以下的碳化硅硬质膜。

在另一个实施方式中，通过本发明的方法，可以制备得到厚度为以下的碳化硅硬质膜。

具体的，反应温度为100℃～300℃，进一步的，反应温度为230℃～280℃。在100℃～300℃的温度下，碳原子数为1～4的有机气体能够与溅射粒子发生化学反应，从而在衬底上沉积形成碳化硅硬质膜，硬质膜层均匀，厚度较薄。

上述碳化硅硬质膜的制备方法，以碳原子数为1～4的有机气体为反应气体，以含有氩气的气体为工艺气体，采用硅靶作为溅射靶材，控制反应温度为100℃～300℃，在衬底上磁控溅射沉积碳化硅硬质膜。在电场的作用下，氩气中氩原子电离产生出Ar+离子和电子，Ar+离子在电场作用下加速飞向硅靶，并以高能量轰击硅靶表面，使硅靶发生溅射，产生溅射粒子，碳原子数为1～4的有机气体能够与溅射粒子发生化学反应，从而在衬底上沉积形成碳化硅硬质膜。这种方法能够制备厚度为以下的超薄碳化硅硬质膜，膜层厚度远小于纳米级别，当碳化硅硬质膜厚仅为在(埃)左右时莫氏硬度即可达到6级，可明显改善玻璃表面抗划伤性能，有效保护玻璃基板。

此外，请参阅2，本发明还提供一实施方式的玻璃10。玻璃10包括玻璃基板110以及层叠在玻璃基板110上的碳化硅硬质膜120。其中，碳化硅硬质膜120采用上述碳化硅硬质膜的制备方法制备得到。即采用玻璃基板110作为衬底，从而在玻璃基板110上磁控溅射沉积碳化硅硬质膜120。

具体的，碳化硅硬质膜120的厚度为以下，进一步的，碳化硅硬质膜120的厚度为为以下，更进一步的，碳化硅硬质膜120的厚度为以下。

这种玻璃10，碳化硅硬质膜120较薄，光学性能好，玻璃表面不容易被划伤。可广泛的应用于LED芯片、摄像头、指纹识别盖板等领域。

以下为具体实施例。

实施例1

以钠钙玻璃为衬底，将钠钙玻璃置于磁控溅射设备腔体内，2.5×10^-3mbar真空条件下，以乙炔为反应气体，以氩气为工艺气体，其中，乙炔的气流量为100sccm，氩气的气流量为150sccm。采用硅靶作为溅射靶材，溅射功率：3.5kW，控制反应温度为200℃，在衬底上磁控溅射沉积厚度约的碳化硅硬质膜。

采用不同等级的莫氏硬度笔进行划线测试制备的碳化硅硬质膜厚度。若碳化硅硬质膜被划伤，则碳化硅硬质膜的硬度低于测试用的莫氏硬度笔硬度等级，若碳化硅硬质膜没有划伤，则硬度高于测试用的莫氏硬度笔硬度等级。以下实施例未特别说明，均采用这种方法测试硬度。本实施例中测的碳化硅硬质膜的莫氏硬度为6，而钠钙玻璃原来的莫氏硬度为3。说明本实施例制备的碳化硅硬质膜厚度较薄，能够明显提升玻璃表面的硬度。

实施例2

以高铝玻璃为衬底，将高铝玻璃置于磁控溅射设备腔体内，3.2×10^-3mbar真空条件下，以乙炔为反应气体，以氩气为工艺气体，其中，乙炔的气流量为100sccm，氩气的气流量为250sccm。采用硅靶作为溅射靶材，溅射功率：3.5kW，控制反应温度为250℃，在衬底上磁控溅射沉积厚度约的碳化硅硬质膜。

本实施例中测的碳化硅硬质膜的莫氏硬度为6，而高铝玻璃原来的莫氏硬度为3。说明本实施例制备的碳化硅硬质膜厚度较薄，能够明显提升玻璃表面的硬度。

实施例3

以钠钙玻璃为衬底，将钠钙玻璃置于磁控溅射设备腔体内，2.1×10^-3mbar真空条件下，以甲烷为反应气体，以氩气为工艺气体，其中，甲烷的气流量为100sccm，氩气的气流量为150sccm。采用硅靶作为溅射靶材，溅射功率：5kW，控制反应温度为300℃，在衬底上磁控溅射沉积厚度约的碳化硅硬质膜。

本实施例中测的碳化硅硬质膜的莫氏硬度为6，而钠钙玻璃原来的莫氏硬度为3。说明本实施例制备的碳化硅硬质膜厚度较薄，能够明显提升玻璃表面的硬度。

实施例4

以钠钙玻璃为衬底，将钠钙玻璃置于磁控溅射设备腔体内，5×10^-3mbar真空条件下，以甲烷和乙炔的混合气体为反应气体，以氩气为工艺气体，其中，甲烷的气流量为100sccm，乙炔的气流量为300sccm，氩气的气流量为100sccm。采用硅靶作为溅射靶材，溅射功率：4kw，控制反应温度为220℃，在衬底上磁控溅射沉积厚度约的碳化硅硬质膜。

本实施例中测的碳化硅硬质膜的莫氏硬度为6，而钠钙玻璃原来的莫氏硬度为3。说明本实施例制备的碳化硅硬质膜厚度较薄，能够明显提升玻璃表面的硬度。

实施例5

以钠钙玻璃为衬底，将钠钙玻璃置于磁控溅射设备腔体内，1.8×10^-3mbar真空条件下，以甲烷为反应气体，以氩气为工艺气体，其中，甲烷的气流量为100sccm，氩气的气流量为100sccm。采用硅靶作为溅射靶材，溅射功率：5kw，控制反应温度为280℃，在衬底上磁控溅射沉积厚度约的碳化硅硬质膜。

本实施例中测的碳化硅硬质膜的莫氏硬度为5，而钠钙玻璃原来的莫氏硬度为3。说明本实施例制备的碳化硅硬质膜厚度较薄，能够明显提升玻璃表面的硬度。

实施例6

以钠钙玻璃为衬底，将钠钙玻璃置于磁控溅射设备腔体内，1×10^-3mbar真空条件下，以乙烯为反应气体，以氩气为工艺气体，其中，乙烯的气流量为100sccm，氩气的气流量为350sccm。采用硅靶作为溅射靶材，溅射功率：2kw，控制反应温度为100℃，在衬底上磁控溅射沉积厚度约的碳化硅硬质膜。

本实施例中测的碳化硅硬质膜的莫氏硬度为6，而钠钙玻璃原来的莫氏硬度为3。说明本实施例制备的碳化硅硬质膜厚度较薄，能够明显提升玻璃表面的硬度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。