[发明专利]一种制备DLC薄膜的方法、由此制造的DLC膜容器及生产装置

说明书

技术领域：

本发明是关于一种低温制备类金刚石碳(DLC)薄膜的方法、由此制造的DLC容器及生产装置，尤其涉及一种覆有高附着性和轴向厚度均匀的DLC薄膜的塑料容器的制造方法及设备。

背景技术：

类金刚石薄膜具有优异的性质，主要表现在：类金刚石薄膜具有良好的力学性质，硬度高，耐磨性好且摩擦系数低，良好的扩散阻挡层性质，耐腐蚀性好，导热性好及化学稳定性好等。因此类金刚石薄膜可应用于多种领域，被广泛应用于食品、化工及生物医用领域，塑料包装容器由于自身低的气体阻隔性能，限制了使用。本设计的目的，利用纳米金刚石膜高阻隔的性能，采用常温纳米金刚石膜技术在容器内层沉积一层纳米金刚石膜，使该容器以作为新一代的包装容器，达到无毒、保鲜、安全、高阻隔、易运输、易回收的特点，创造新一代包装容器，为人类生活创造便利条件。

已有的报道类金刚石薄膜可以通过溅射法镀于底材上溅射源一般分为含烃类气体及石墨两类。当采用含烃类气体作为溅射源时，产生的类金刚石薄膜中含有大量的氢杂质成份，造成类金刚石膜中的SP³键结合的碳原子成份偏少。当采用石墨为靶材进行溅射制得类金刚石薄膜时，由于石墨与钻石中碳原子的结合方式不同，为二维空间键合，石墨中碳原子以SP²键结合，所以采用石墨作靶材获得的类金刚石薄膜中含有较多以SP²键结合的碳原子，导致制得的类金刚石薄膜硬度较差，而且与基材的结合也不牢固。已经报道了利用微波和直流放电等离子体增强化学气相沉积的制备装置在高浓度甲烷(CH₄)气氛下(体积比3％～100％)成功制备金刚石薄膜。上述的制备装置均要求用高质量金刚石颗粒粘磨基板表面增强成核。在一些情况下，还需要氩(Ar)气和氮(N₂)气作为辅助气体，生成的金刚石膜晶粒尺寸大约30-50nm。在微波等离子增强化学气相沉积过程中，通过离子轰击二次成核成功制备了晶粒尺寸在10nm的金刚石膜。然而用微波生长的装置制造成本较高，不能大规模成膜，尤其是不能均匀成膜。

近年来，日本的几家公司合作采用等离子体化学沉积技术，在PET瓶内形成一种超薄、透明、耐热、高阻隔性涂层，其硬度像金刚石一样，成分为无定形碳层。其工艺为：先将乙炔和一种惰性气体吹入真空状态的PET瓶内，由一对电极产生的低压等离子体使乙炔分解，形成牢固的具有金刚石结构的薄膜沉积于瓶内层；再用氢处理使涂层更加饱和。该技术对O₂的阻隔性提高了20倍，抗CO₂流失率提高了7倍。法国Sidel公司开发的等离子技术(ACTIS)是将气态乙炔在真空条件下送入PET瓶中，通过微波处理器将乙炔激化，转化为等离子状态，等离子态的颗粒撞击在瓶壁上使能量骤然消失，在壁上形成一层极薄而致密的固态高度氧化无定形碳涂层，具有极佳的阻隔性能。与纯PET瓶相比，该技术对O₂的阻隔性可提高30倍，抗CO₂流失率提高7倍，ACTIS处理的PET啤酒瓶易回收再利用，对环保有利。应用以上方法在制备的薄膜，由于是自由撞击在瓶内表面，无离子加速沉积的过程，容器内壁受到的撞击力量较弱，因此在外力或储存液体过程中可能由于弱的结合力导致膜层破坏失效，造成不便。我们要找到一种能够在一定程度上提高膜基结合力的工艺及方法来解决这一问题。

发明内容：

本发明的目的在于提供具有高附着性的类金刚石薄膜的工艺、方法和装置。为实现这一目的，首先，设计出与容器外部尺寸匹配的真空室腔体，且与基体容器同轴，再通过氩(Ar)气或氮(N₂)气对基体容器进行原子级清洗，避免出现容器内壁附着的杂质造成的成膜缺陷，改善膜层附着力。在生产过程中，利用高频等离子体源，通过向所述的外端电极(3)施加一个高频13.56MHz，在所述容器内部的中心管电极(7)与容器外端电极(3)之间产生电势差，由此激发通过中心管电极(7)流入腔体的气体源持续产生等离子体，等离子体放电稳定，气体源分解成各种原子基团，多数为阳离子，可用CnHm+表示。以这种方式，容器内部气体转化成等离子体。此时，我们采用高频与压复合的方法，采用滤波技术，可将高频和偏压直接耦合到一起后输出，这是本发明内容的重点部分。在这种情况下，在所述外端电极(3)上叠加一个负偏压后，在电场作用下，CnHm+离子加速向基体容器运动，沉积到基体容器上迅速形成DLC。这种情况下形成的DLC致密、沉积速度快且稳定性好，适于解决容器内表面薄膜与基体结合力弱、易脱落、稳定性差等问题。