[发明专利]喷射等离子体方法,沉积涂层的设备及制得的涂层

说明书

发明的领域

本发明涉及涂层，尤其涉及含碳和/或硅涂料的涂层，并涉及用于等离子体沉积的设备。

发明的背景

等离子体法能使涂层十分坚硬，化学惰性，耐腐蚀并且隔绝水汽和氧气。在各种基片上这种涂层常作为机械和化学保护涂层。例如，将富碳涂层(如金刚石形的碳和喷射等离子体碳涂层)施涂在刚性的圆盘和挠性的磁性介质上。还可将其施涂在声音震动薄膜、用作光学和眼镜镜片的聚合物基片以及静电照相鼓上。已将含硅聚合物涂料施涂在聚合物和金属基片上用于抗腐蚀。同样，已将硅氧烷涂料施涂在聚合物和非聚合物基片上以降低水渗透性并提供机械保护。

在本文中，富碳涂层至少含50％碳原子，通常含70-95％碳原子，含0.1-20％氮原子，0.1-15％氧原子和0.1-40％氢原子。根据其物理和化学性能，可将这种富碳涂层分为“无定形”碳涂层、“氢化的无定形”碳涂层、“石墨”涂层、“i-碳”涂层、“金刚石形”涂层等。尽管这些涂层类型的每一种分子结构不总是容易区分，但是它们通常含有两类碳-碳键，即三角的石墨键(sp²)和四面体的金刚石键(sp³)，尽管这不意味着仅限于这些。它们还可含有碳-氢键和碳-氧键等。根据非碳原子数的量和sp³/sp²键的比例，可得到不同的结构和物理特性。

金刚石形的富碳涂层具有相当坚硬、相当低的导电率、低摩擦系数和在宽的波长范围内的光学透明度这些金刚石形的性能。它们可被氢化或未氢化。金刚石形的石墨涂层通常含有同时具有三角的石墨键(sp²)和四面体金刚石键(sp³)的非晶体金属，尽管相信sp³键占主要地位。一般来说，金刚石形的涂层比石墨碳涂层更硬，石墨碳涂层比含氢量高的碳涂层(即其中含有烃分子或其部分的涂层)更硬。

含硅涂层通常是无规地含有硅、碳、氢、氧和氮的聚合物涂层(SiO_wN_xC_yH_z)。这些涂层通常是用等离子体增强的化学蒸气沉积法(PECVD)制得的，用作阻挡和保护涂层。参见如美国专利5,298,587(Hu等)、5,320,875(Hu等)、4,830,873(Benz等)和4,557,946(Sacher等)。

硅氧烷涂层是高分子聚合的硅氧烷涂层，其结构中含有R₂SiO单元，其中R通常是CH₃，但可以是H、C₂H₅、C₆H₅或更复杂的取代基。这些硅氧烷(通常称为聚有机硅氧烷)通常由硅和氧原子交替的链(O-Si-O-Si-O)组成，硅原子多余的原子价通常与R基团相连，但是也有部分与氧原子相连，将硅原子与第二条链连接在一起(交联)，从而形成扩展的网络。这些涂层的价值在于其韧性、润滑性、受控的气体扩散性以及作为剥离涂层和防水表面所需的低表面张力。例如，美国专利5,096,738(Wyman)报道了通过三烷氧基甲基硅烷水解形成高度交联的聚合物结构而形成阻挡涂层。

通过等离子体沉积，即等离子体增强的化学气相沉积制备涂层的方法是已知的。但是，这些方法中有一些具有缺陷。例如，某些这种方法使用大流量气体、压力和能量会形成碳粉，而不是所需的光滑、坚硬的碳膜。美国专利5,232,791(Kohler等)、5,286,534(Kohler等)和5,464,667(Kohler等)公开了一种等离子体沉积富碳涂层的方法，这种方法克服了部分所述缺陷。这些方法使用的富碳等离子体是例如在一个伸长的空心阴极中由气体(如甲烷、乙烷、碘甲烷、乙腈或四甲基硅烷)制得的。该等离子体朝暴露在射频偏压中的基片加速。尽管在本领域中该方法具有显著的优点，但是需要其它等离子体沉积法使用较低能量的仪器来沉积各种含碳和/或含硅涂层。

制备多层涂层的方法公开在美国专利5,116,665(Gauthier等)和4,933,300(Koinuma等)和英国专利申请(公开号)GB 2 225 344A(EniricercheSpA)中。这些方法基于辉光放电方法，它使用一个反应器并且工艺参数连续变化以形成多层涂层。但是，这些方法在实践中和技术上具有局限。如果要求涂层的性能渐变和/或突变时，需要分批的方法。这些变化来自在固定的基片上进行沉积并连续改变加工条件。在装有辊对辊卷材传输设备的反应器中可进行连续的沉积。需要多路操作来形成多层涂层。在这些条件下，难以使涂层的性能渐变和/或形成界面层。