一种强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备的制作方法

本实用新型属于真空镀膜技术领域，具体涉及一种强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备。

背景技术：

一般来说，类金刚石碳基薄膜(DLC)是一类含有金刚石结构(SP3杂化键) 和石墨结构(SP2杂化键)的亚稳非晶态物质，碳原子主要以SP3和SP2杂化键结合。非晶态碳基薄膜一般可以分为含氢碳膜(a-C:H)和不含氢碳膜(a-C) 两类。含氢DLC薄膜中的氢含量在20at.％～50at.％,SP3杂化键的成分小于70％。无氢DLC薄膜中常见的是四面体非晶碳(ta-C)膜。ta-C涂层中以SP³杂化键为主， SP³杂化键的含量一般高于70％。

类金刚石碳膜(DLC)的沉积最早是使用离子束沉积，经过几十年的发展，现在已经成功开发了许多物理气相沉积、化学气相沉积以及液相法制备DLC薄膜的新方法和新技术。

等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)制备类金刚石碳膜采用CH4、C2H2等含碳氢的有机气体为碳源,具有表面细腻、光泽度好，硬度高，耐磨性能好等特点，但是在高端装饰镀膜领域，客户对成本控制的很严，要求在保证性能和外观的基础上提高沉积速度。本技术主要解决的问题是提供一种可快速沉积高性能类金刚石碳膜的设备和加工方法。

技术实现要素：

基于上述现有技术的缺陷与不足，本实用新型的目的在于提供一种强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备，该设备基于等离子体辅助化学气相沉积(PACVD) 技术，通过结构创新设计有效控制多弧蒸发源产生的高能电子和其他粒子在沉积加工中的变化，并且采用辅助阳极以提高沉积速率和膜层性能。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：

一种强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备，包括真空腔体、真空抽气装置、反应气体控制及分配装置、多弧电源；所述真空腔体内设有抽真空口、工件转架、多弧蒸发源、磁控溅射靶、若干加热管、若干气体分布管；所述抽真空口设置于所述真空腔体一侧面，所述工件转架设置于所述真空腔体的中间区域，所述加热管和气体分布管均匀布置在工件转架两侧；所述多弧蒸发源设置于真空腔体侧面，所述磁控溅射靶设置于与多弧蒸发源相对的另一侧面；所述多弧蒸发源的前端设置有活动连接的多弧挡板。

进一步的，所述磁控溅射靶前端设置有活动连接的靶材挡板。

进一步的，所述工件转架设置若干用于放置工件的工件挂架，所述工件转架、工件挂架及工件相互之间为非绝缘连接。

进一步的，所述强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备还设有工件电源单元，所述工件电源单元包括工件电源和电源模式切换开关组；所述工件电源通过所述电源模式切换开关组进行切换清洗模式或沉积模式；

更进一步的，所述电源模式切换开关组包括负极开关、第一接地开关、正极开关、第二接地开关；所述负极开关一端与所述工件电性连接，另一端与所述工件电源的负极连接；所述第一接地开关一端与所述工件电源的负极连接，另一端接地；所述正极开关一端与所述工件电性连接，另一端与所述工件电源的正极连接；所述第二接地开关一端与所述工件电源的正极连接，另一端接地。

当工件电源为清洗模式时，工件电源的正极连接所述工件转架，负极接地；当工件电源为沉积模式时，工件电源的负极连接所述工件转架，正极接地。所述工件电源切换至清洗模式时可用于工件清洗；所述工件电源切换至沉积模式时可用于工件沉积涂层。

进一步的，所述强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备包括一辅助阳极系统；所述辅助阳极系统包括设置辅助阳极电源和辅助阳极；所述辅助阳极电源设置于在真空腔体外部，所述辅助阳极设置于所述真空腔体内，所述辅助阳极通过辅助阳极电源线与辅助阳极电源正极连接，所述辅助阳极由真空腔体顶部往下伸入真空腔体。

更进一步的，所述辅助阳极包括壳体、电源线保护管、冷却水进口管、冷却水出口管、绝缘真空密封装置；所述壳体为具有内腔的柱状壳体，所述壳体的上端通过绝缘真空密封装置与所述真空腔体的顶部连接；所述电源线保护管连接所述阳极壳体；所述冷却水进口管由所述壳体的顶端伸入所述壳体的内腔的底部，所述冷却水出口管设于所述壳体的顶端。

基于上述的强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备的加工方法，该方法包括如下步骤：

S1、将工件清洗后放入真空腔体内；

S2、将真空腔体抽真空并加热对工件进行烘烤；

S3、在真空腔体通入工作气体，使工件转架上的工件带正电，多弧挡板处于挡住多弧蒸发源的状态，打开多弧电源，多弧蒸发源产生的电子对工件进行轰击加热清洗；

S4、使工件转架上的工件带负电，真空腔体内通入工作气体，打开辅助阳极电源，多弧挡板处于挡住多弧蒸发源的状态，打开多弧电源，多弧蒸发源产生的电子促进工作气体的离化，工作气体正离子对工件进行再次轰击清洗；

S5、使工件转架上的工件带负电，真空腔体内通入工作气体，多弧挡板处于挡住多弧蒸发源的状态，关闭多弧电源，靶材挡板打开，启动并使用磁控溅射靶在工件表面沉积底层；

S6、使工件转架上的工件带负电，关闭多弧电源，多弧挡板处于挡住多弧蒸发源的状态，通入工作气体和反应气体，使用磁控溅射靶在工件表面反应沉积过渡层；

S7、打开辅助阳极电源，关闭磁控溅射靶，靶材挡板挡住磁控溅射靶，使工件转架上的工件带负电，通入工作气体和反应气体，多弧挡板处于挡住多弧蒸发源的状态，打开多弧电源，使用反应气体在工件表面沉积类金刚石碳膜。

在磁控溅射靶前面设置靶材挡板的作用是为了保护靶材不受污染。

进一步的，步骤S7中辅助阳极的电压20-200V。

在步骤S7中，启用多弧挡板用以阻挡多弧蒸发源产生的原子、原子团和带正电粒子，避免对沉积膜层的影响；多弧蒸发源产生的电子在辅助阳极的作用上可以提高辉光放电强度，从而提高反应气体和工作气体的离化率，提高工件表面的沉积膜层的速度、光泽度和性能。

本专利技术方案相对于现有技术具有的优点及效果：

(1)本专利方案所提供的强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备，通过在多弧蒸发源前面设置可启用或关闭的活动连接的多弧挡板，在对工件进行沉积类金刚石碳膜时，启用多弧挡板以阻挡多弧蒸发源产生的金属原子，离子、原子团等粒子，不让这些粒子扩散到沉积区域，只将多弧蒸发源产生的大量高能电子引入反应气体中，高能电子能够与气体分子产生非弹性碰撞，使分子激活，促进自由激化和离子化，产生化学活性强的高能粒子、长寿命亚稳原子、激发态原子、原子或分子态离子和电子等大量活性粒子，这些活性粒子容易在工件表面沉积形成致密的含有SP2和SP3化学键的类金刚石碳膜；由于高能电子的浓度比普通辉光放电沉积镀膜方法的电子浓度高，可大大提高等离子体的离化率，从而提高沉积速率、光泽度和膜层性能。

(2)本专利方案所提供的强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备，通过在真空腔体中增加辅助阳极，配合多弧蒸发源和多弧挡板的使用，多弧蒸发源提供电子源，可通过辅助阳极吸引电子，改变电子运行轨迹，提高电子与反应气体的碰撞概率，从而提高反应气体的离化率，提高膜层的沉积速率、光泽度和性能。

附图说明

图1为实施例中强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备的平面结构示意图。

图2为实施例中强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备的辅助阳极的结构示意图。

图中：1-真空腔体，2-抽真空口，3-电源模式切换开关组，4-工件电源， 5-多弧电源，6-多弧蒸发源，7-多弧挡板，8-辅助阳极，9-辅助阳极电源，10- 工件转架，11-观察窗，12-炉门，13-加热管，14-气体分布管，15-磁控溅射靶， 16-电源线保护管，17-冷却水进口管，18-冷却水出口管，19-绝缘真空密封装置，20-靶材挡板，80-壳体，301-负极开关，302-第一接地开关，303-正极开关，304-第二接地开关。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备，包括真空腔体1、真空抽气装置(常规设置，图中未示出)、反应气体控制及分配装置(常规设置，图中未示出)、多弧电源5；所述真空腔体1内设有抽真空口2、工件转架10、多弧蒸发源6、磁控溅射靶15、若干加热管13、若干气体分布管14；所述抽真空口2设置于所述真空腔体1一侧面，所述工件转架10设置于所述真空腔体1 的中间区域，所述加热管13和气体分布管14均匀布置在工件转架10两侧；所述多弧蒸发源6设置于真空腔体1侧面，所述磁控溅射靶15设置于与多弧蒸发源6相对的另一侧面；所述多弧蒸发源6的前端设置有活动连接的多弧挡板7。

所述多弧电源5用于给多弧蒸发源6供电，所述多弧电源5为直流电源或脉冲电源。

所述多弧蒸发源6设有若干多弧靶，所述多弧靶从上往下依次分布。

所述多弧挡板7为活动连接，可平移或旋转进行启用或关闭，用于阻挡从多弧蒸发源6产生发出的原子、原子团、带正电粒子等粒子。多弧挡板7与多弧蒸发源6之间设有供高能电子通过的侧面空隙。

所述磁控溅射靶15前端设置有活动连接的靶材挡板20。

所述磁控溅射靶15为圆柱靶。

所述工件转架10设置若干用于放置工件的工件挂架(常规设置，图中未示出)，所述工件转架10、工件挂架及工件相互之间为非绝缘连接。所述工件转架 10为多轴公自转结构，工件挂架通过转轴与所述工件转架10活动性地连接；所述工件转架10通过传动机构，带动工件挂架的自转以及所述工件转架10的公转。

所述强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备还设有工件电源单元，所述工件电源单元包括工件电源4和电源模式切换开关组3；所述工件电源4通过所述电源模式切换开关组3进行切换清洗模式或沉积模式；

电源模式切换开关组3包括负极开关301、第一接地开关302、正极开关303、第二接地开关304；所述负极开关301一端与所述工件电性连接，另一端与所述工件电源4的负极连接；所述第一接地开关302一端与所述工件电源4的负极连接，另一端接地；所述正极开关303一端与所述工件电性连接，另一端与所述工件电源4的正极连接；所述第二接地开关304一端与所述工件电源4的正极连接，另一端接地。

当工件电源4为清洗模式时，合上正极开关303和第一接地开关302，断开负极开关301和第二接地开关304，此时，工件电源4的正极连接所述工件转架，负极接地；当工件电源为沉积模式时，合上负极开关301和第二接地开关304，断开正极开关303和第一接地开关302，此时，工件电源4的负极连接所述工件转架，正极接地。

所述工件电源4切换至清洗模式时可用于工件清洗；所述工件电源4切换至沉积模式时可用于工件沉积涂层。

所述工件电源4为直流电源或脉冲电源。在沉积膜层前，使用清洗模式可使工件带正电，多弧蒸发源6产生的高能电子被工件吸引，从而对工件进行轰击加热清洗。

所述工件电源4采用沉积模式时，负极连接所述工件转架10。沉积膜层前，可以使真空腔体1中等离子体中的正离子对工件进行轰击清洗；在沉积膜层时，使等离子体中的正离子，在负偏压的作用下，轰击工件，提高膜层的综合性能。

所述强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备包括一辅助阳极系统；所述辅助阳极系统包括设置辅助阳极电源9和辅助阳极8；所述辅助阳极电源9设置于在真空腔体1外部，所述辅助阳极8设置于所述真空腔体内，所述辅助阳极8通过电源线与辅助阳极电源9正极连接，所述辅助阳极8由真空腔体1顶部往下伸入真空腔体1，在沉积类金刚石碳膜时，辅助阳极8吸引电子，增加电子能量，促进反应气体的离化，提高辉光强度和沉积膜层的性能。

如图2所示，所述辅助阳极8包括壳体80、电源线保护管16、冷却水进口管17、冷却水出口管18、绝缘真空密封装置19；所述壳体80为具有内腔的柱状壳体80，所述壳体80的上端通过绝缘真空密封装置19与所述真空腔体1的顶部连接；所述电源线保护管16连接所述壳体80，所述辅助阳极电源线穿过所述电源线保护管16与所述壳体80连接；所述冷却水进口管17由所述壳体80 的顶端伸入所述壳体80的内腔的底部，所述冷却水出口管18设于所述壳体80 的顶端；电源线保护管16、冷却水进口管17及冷却水出口管18分别通过绝缘真空密封装置19与壳体80连接。

辅助阳极8的冷却水从冷却水进口管17进入壳体80内腔，再从冷却水出口管18引出。

另外，所述强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备设有PLC控制操作系统，用于控制镀膜过程；所述强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备的真空腔体1中还设有温度传感器、压强传感器、用于工件进出的炉门12，在所述炉门12上设有观察窗11。

基于上述的强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备的加工方法，包括如下步骤：

S1、将工件清洗后放入真空腔体内；

S2、将真空腔体抽真空并加热对工件进行烘烤；控制参数：真空腔体内部的本底真空为0.02-0.001Pa，加热温度为150-300℃，抽真空时间为30-90min；

S3、在真空腔体通入工作气体氩气(Ar)，将工件电源切换至清洗模式，使工件转架上的工件带正电，多弧挡板处于挡住多弧蒸发源的状态，打开多弧电源，多弧蒸发源产生的电子对工件进行轰击加热清洗；控制参数：工件电源电压为20-200V，频率为2K-10KHz，占空比10％-50％，多弧蒸发源的电流30-60A, 轰击时间5-30min,Ar体积流量:30-100SCCM，真空度：0.03-0.3Pa,温度： 100-250℃；

S4、在真空腔体通入工作气体Ar，将工件电源切换至沉积模式，使工件转架上的工件带负电，多弧挡板处于挡住多弧蒸发源的状态，打开多弧电源，打开辅助阳极电源，多弧蒸发源产生的电子促进工作气体Ar的离化，工作气体正离子Ar⁺对工件进行再次轰击清洗；控制参数：工件电源电压为20-200V，频率为2K-10KHz，占空比10％-50％，辅助阳极的电压为100-400V，多弧蒸发源的电流30-60A,轰击时间5-30min,Ar体积流量:50-200SCCM，真空度：0.05-0.5Pa, 温度：100-250℃；

在其他实施情况中，该步骤S4的其他控制条件不变，多弧挡板也可以处于打开状态，此时对工件进行轰击清洗可提高工件上涂层的附着力，但会影响产品表面光泽度。

S5、将工件电源选为沉积模式，使工件转架上的工件带负电，通入适量的工作气体Ar，关闭多弧电源，多弧挡板处于挡住多弧蒸发源的状态，靶材挡板打开，启动并使用磁控溅射靶在工件表面沉积底层；控制参数：磁控溅射靶为钛靶、铬靶或锆靶中的一种，靶材电流：10-30A,工件电源的电压-(0～200V), 占空比：20-80％，频率：10-80KHZ，时间10-30min,Ar体积流量:50-300SCCM，真空度：0.1-0.9Pa,温度：100-300℃；

S6、将工件电源选为沉积模式，使工件转架上的工件带负电，关闭多弧电源，多弧挡板处于挡住多弧蒸发源的状态，通入工作气体Ar和反应气体，使用磁控溅射靶对工件表面沉积底层；控制参数：靶材电流10-30A,工件偏压电源电压0-200V,占空比：20-80％，频率：10-80KHZ，时间10-30min,Ar体积流量:50-300SCCM，反应气体为乙炔或者甲烷；反应气体体积流量：10-200SCCM，真空度：0.1-0.9Pa,温度：100-300℃；该步骤中，磁控溅射靶前面的靶材挡板为打开状态，不对靶材进行阻挡；

S7、打开辅助阳极电源，关闭磁控溅射靶，靶材挡板挡住磁控溅射靶，工件电源选沉积模式，使工件转架上的工件带负电，通入工作气体和反应气体，多弧挡板处于挡住多弧蒸发源的状态，打开多弧电源，使用反应气体在工件表面沉积类金刚石碳膜。控制参数：工作气体为氩气，反应气体为乙炔或者甲烷，工件电源的电压-(200～1500V),占空比：20-80％，频率：10-80KHZ，时间 30-120min，Ar体积流量:20-200SCCM，反应气体体积流量：100-2000SCCM，真空度：1.0-10.0Pa,温度：100-300℃,多弧电源的电流：30-70A；辅助阳极的电压为20-200V。

实施例2：采用所述强辉光放电沉积类金刚石碳膜设备在高光不锈钢工件沉积类金刚石碳膜。

具体步骤如下：

(1)将工件进行常规预清洗，再将工件放入工件转架10，关闭真空腔体1 并进行抽真空和加热烘烤；控制参数：抽真空至本底真空0.009Pa,加热温度： 200℃，抽真空时间：60min。

(2)电子轰击加热清洗：工件电源4选为清洗模式，打开多弧电源5，通入反应气体氩气，启用多弧挡板7，多弧挡板7挡在多弧蒸发源6前面，通过多弧蒸发源6对工件进行电子轰击清洗；控制参数：工件电源4电压为100V，频率为5KHz，占空比20％，多弧电源5的电流50A,轰击时间25min，Ar体积流量:40SCCM，真空度：0.10Pa,温度：150℃；

(3)离子轰击清洗：工件电源4选为沉积模式，多弧挡板处于挡住多弧蒸发源的状态，打开多弧电源，打开辅助阳极电源，多弧蒸发源产生的电子促进 Ar的离化，Ar+对工件进行再次轰击清洗；控制参数：工件电源4电压为150V，频率为5KHz，占空比40％，辅助阳极的电压为200V，多弧电源5的电流50A,轰击时间25min，Ar体积流量:80SCCM，真空度：0.20Pa,温度：150℃；

(4)沉积底层：工件电源4选为沉积模式，通入工作气体氩气，关闭多弧蒸发源6，将磁控溅射靶15前面的靶材挡板20打开，使用两个铬靶对工件进行沉积底层；控制参数：磁控溅射靶15电流25A,工件电源4的电压120V,占空比： 50％，频率：40KHZ，时间30min，Ar体积流量:120SCCM，真空度：0.38Pa,温度：150℃；

(5)沉积过渡层：工件电源4选为沉积模式，通入工作气体氩气和反应气体C2H2，关闭多弧蒸发源6，将磁控溅射靶15前面的靶材挡板20打开，使用两个铬靶对工件进行沉积过渡层；控制参数：靶材15电流28A,工件偏压电源4的电压180V,占空比：50％，频率：40KHZ，时间30min，Ar体积流量:100SCCM，真空度：0.37-0.42Pa,温度：150℃；

(6)沉积类金刚石碳膜：关闭磁控溅射靶15的电源，在磁控溅射靶15前面设置靶材挡板20，工件电源4选为沉积模式，通入工作气体氩气(Ar)和反应气体乙炔，开启多弧蒸发源6并启用多弧挡板7，启动辅助阳极8，在工件表面沉积类金刚石碳膜；控制参数：工件电源4的电压-800V,占空比：50％，频率： 60KHZ，时间120min,Ar体积流量:100SCCM，乙炔体积流量：400SCCM，真空度： 1.5Pa,温度：150℃，多弧蒸发源6的电流50A，辅助阳极8电压：100V。

(7)将沉积类金刚石碳膜的工件进行检测，检测数据如下：(a)外观和测试：外观光滑细腻，高光面基本保持，颜色L＝42.03,a＝-0.07,b＝-2.65，各面颜色均匀；(b)纳米硬度：2300nHV,膜厚3.6um，其中类金刚石碳膜膜层(DLC) 厚度为2.5um；(c)工件类金刚石碳膜膜层耐磨性能(CS-17)≥10000圈，通过热浸(300℃)标准测试,通过中性盐雾标准测试,通过人工汗标准测试。

对比数据：采用没有多弧蒸发源及多弧挡板，并且不设置辅助阳极的镀膜设备对工件进行沉积类金刚石碳膜，相同工件及控制参数下所沉积的类金刚石碳膜膜层(DLC)厚度为0.5um。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本实用新型；但是，凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，可利用以上所揭示的技术内容而作出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本实用新型的技术方案的保护范围之内。