本发明涉及在塑料透镜之类的低熔点衬底上真空淀积金刚石状碳薄膜的一种工艺。 眼部佩带物上保护眼睛免受强光照射用的光学透镜总是属于以下两种透镜中的一种。第一种透镜包括那些由聚碳酸酯或CR39C（烯丙基二乙二醇碳酸酯）之类组成的塑料透镜。这种透镜的好处是较轻，在沉重冲击下不致破碎。第二个好处是塑料材料上不难结合上象聚乙烯醇之类的偏振材料，使透镜能防止扰人的反射眩光射到眼中。其一个严重的缺点是塑料材料较柔软，因而易受到刮伤、变形，要不然就使其不能用作光学透镜。另外，这种塑料材料实际上不能用周知的方法，例如，淀积上金刚石状的碳膜加以硬化。因为这种方法一般是在高温下进行地，衬底要升温到其熔点以上。
第二种透镜包括玻璃透镜，这种透镜明显的好处是非常硬，因而在正常使用情况下实质上不致刮伤。因此这类材料制成的透镜更经久耐用，可是它们却具有一些明显的缺点。第一，玻璃透镜非常沉，因而用玻璃透镜制成的眼部佩带物戴起来不太舒服。第二，玻璃透镜在够沉重的冲击下往往会破碎，而且价钱比塑料透镜贵。另一个缺点是，在玻璃透镜上加偏振材料还没有一个确实可行的方法。
因此本技术领域中非常需要有这样一种透镜，这种透镜兼有塑料透镜和玻璃透镜的优点，而没有两者的缺点。如果能找到一种将金刚石状碳膜淀积到塑料透镜或具塑料涂层或表面的透镜上的方法，就能满足上述要求。遗憾的是，目前还没有周知的在这类衬底上淀积金刚石状碳的实用方法。
目前在衬底淀积金刚石状碳的工艺有好几种。可是所公开的这些工艺中还没有一个是可用在象塑料那样熔点在80℃和150℃之间的衬底。一般认为，在许多情况下，这种工艺将衬底温度提高到远远超过150℃，因而不能用以将金刚石状碳淀积到塑料衬底上。但如稍后在本说明书中即将谈到的那样，本发明采用低于约150℃的较低温度，最好低于100℃，最理想的情况低于约80℃，因此能在熔点较低的衬底上淀积金刚石状碳。
专利权授予Aisenberg的美国专利3，961，103公开了一种往衬底上淀积金刚石状碳膜的工艺，该工艺采用辉光放电碳离子源和射频电场往衬底表面加上人注意的偏压，同时防止衬底四周在有氢气存在的情况下聚集着具排斥性的电荷。Aisenberg还这样公开：辉光放电碳离子源和衬底系分开固定在真空室中，碳离子通过连接两真空室的特殊收敛式电极达到衬底，该收敛式电极与一提取电极在装衬底的小室内按特殊的方式配置。这种工艺的缺点是需要两个分立的小室连同特殊的电极来把碳离子从一小室吸引到另一小室中。Aisenberg等于在1971年6月第42卷第7期《应用物理杂志》（Journal of Applied Physics）第2953-2958页上写的题为“金刚石状碳薄膜的离子束淀积法”的一篇文章中也公开了类似的工艺。
专利权授予Aisenberg的美国专利Re 32，464公开了一种在加热的衬底上淀积不同类型碳膜（即来自碳离子源的石墨碳）的工艺。碳离子的产生是用来自辉光放电的氩离子以射频感应等离子体溅射法将碳靶极中的碳溅射出来。
德国公开专利2，736，514公开了一种用气态烃源产生碳离子在玻璃衬底上淀积碳膜的工艺，衬底上的射频场将碳离子吸引到衬底上。
Banks等人在1982年10月9日第21卷的《真空科学技术杂志》（Journal of Vacuum Science Technology）第807-814页上发表的题为“离子束溅射淀积出的金刚石状碳膜”的一篇文章中公开了一种用氩离子轰击衬底本身使碳从石墨靶溅射到衬底上而将金刚石状的碳膜淀积到衬底上的工艺。这种工艺是针对诸如二氧化硅、铜和钽等能耐受较高温度的衬底的。
专利权授予Mertich等人的美国专利4，490，229公开了一种往衬底上淀积金刚石状碳膜的工艺，该工艺是用含氩离子的离子束和象甲烷之类的烃气体进行淀积的，同时用第二种氩离子束轰击衬底使受约束较小的碳原子移离衬底。
专利权授予板本等人的美国专利4，725，345公开了一种用电子束使固体碳源中的碳蒸发，以此来将金刚石状碳淀积到声膜衬底上的工艺。这种工艺的缺点是将直流（恒定）场加到衬底上以吸引蒸发的碳，因而非导电衬底上聚集有排斥性的表面电荷。因此这种工艺不适用于象塑料之类的绝缘衬底。更重要的是，这种工艺还具有这样的缺点，即电子束蒸发固体碳靶需要较低的环境压强，而将碳淀积到衬底上却需要较高的环境压强。电子束蒸发工序必须在低约10-4乇的环境压强下进行，因而为在较高的压力下，电子束源会因周围气体放电或击穿电离而不稳定。这随后又使电子束的轨迹不稳定。碳蒸发工序必须在大约10-2或10-3乇较高的压强下进行，因为压强较低时，衬底周围气体环境中的原子与分子之间碰撞得不足以使所加的电场激发衬底周围的等离子体。因此，蒸发工序和淀积工序看来不能在同一个真空室中进行。
总之，上述诸工艺看来都不适宜在塑料透镜之类的低熔点衬底上淀积金刚石状碳膜。有些工艺需要进行离子束轰击或辉光放电，这可能使衬底的温度上升到衬底的熔点以上。另一种需要用电子束蒸发固体碳源的工艺是有问题的，因为这种工艺的蒸发工序和淀积工序应在不同的压强下进行，因而不能在同一真空室中进行。
在本发明中，将金刚石状碳膜淀积到象塑料透镜之类的衬底的表面上，以便使衬底表面变硬、耐刮，同时又保持衬底温度在其熔点以下。本发明采用低于大约150℃的较低温度，最好是低于100℃，最理想是低于大约80℃，因而可以在较低熔点的衬底上淀积金刚石状碳。首先把电子束射向装有衬底的真空室中的固体碳源，使碳蒸发。加到衬底周围的电场使氢电离，便于使金刚石状碳淀积到衬底上并借助氢气将非金刚石状碳从衬底上有选择地腐蚀掉。用电子束蒸发固体碳的好处是金刚石状碳的淀积是在环境温度下进行的，因而不致使衬底温度升高到其熔点。在这种用场中用电子束蒸发固体碳有这样的问题：由于衬底和碳膜都是不导电物质，因而在衬底表面淀积碳的过程中累积起来的排斥性电荷增加，直到它妨碍离子进一步轰击衬底为止。为解决这个问题，加上去的电场是通过将射频电压容性耦合到夹持着衬底的一个转动夹具上产生的。射频电压产生使衬底周围的大气电离的射频场。和恒定场不一样，射频的好处是它能避免排斥性电荷聚集在衬底周围以免妨碍金刚石状碳的淀积过程。
本发明采用抽成不同真空度的小室，这样就使小室一侧的固体碳源周围的环境压强保持适当的低压，使电子束源能稳定工作，电子束轨迹稳定，同时使小室另一侧的衬底保持较高压强，使之适宜维持衬底周围的电离气体的等离子体。小室两侧为一个挡板所隔开，该挡板有一个1.5英寸的孔，经蒸发的碳即通过该孔从碳源流向衬底。在最佳实施例中，按不同真空度抽真空了的小室有一个旁通歧管连接到小室两侧。控制系统根据小室内的压强传感器控制旁通歧管中蝶形阀的位置，从而调节挡板两侧的压强差。为确保衬底温度保持在100℃以下，用水冷却夹持衬底的旋转夹具。经蒸发的碳达到衬底的量由一个石英晶体监视器检测。电子束蒸发固体碳源的速率由一检测石英晶体监视器输出的控制器调节，以保持碳在预定量下淀积在衬底上的速率。
金刚石状碳膜表现出天然金刚石所要求的物理性能，因此这种碳膜特别适宜保护光学元件或眼睛佩带物上的涂覆层。这些性能包括优异的机械硬度，耐化学侵蚀，以及在较宽的光谱范围内有低的光吸收性能。象塑料之类的低熔点衬底与金刚石状碳膜结合起来使用就可以制成质轻耐刮的透镜，从而满足本技术领域长期存在的需要。
下面参照图1详细说明本发明的最佳实施例;图1是实施本发明的带有一个抽成不同真空度的小室的设备的示意图。
现在参看图1。密封真空室100由挡板102分隔成两部分100a和100b，挡板102有一个直径约1.5英寸的孔102a，使蒸气流可在小室100的两侧100a和100b之间流通。电子束发生器104将电子束射向小室100的第二侧100b中靠近孔102的固体碳靶106上。固体碳靶106最好是石墨做的。为明了起见，图1中的碳靶106系画成与电子束发生器104分开配置，实际上它们是按一般做法作实体接触的。在小室100的第一侧100a中旋转导电夹具110夹持得衬底115a、115b、115c等，金刚石状碳膜即准备淀积这些衬底上。衬底115可以是例如塑料透镜。旋转驱动装置120驱动着通过小室100的壁127延伸的转轴125使其转动，以带动夹具110转动。氢气源130给小室100的内部提供氢气。为使衬底115周围的氢气电离，射频电源135将高频电压通过容性调谐网络140加到驱动轴125上，从而使驱动轴125耦合到导电夹具110上。由此在小室100中产生的电场交变变化，这防止了排斥性表面电荷在金刚石状碳形成的过程中聚集在衬底115上。同时该电场起维持衬底115周围等离子体的作用，而且在正弦波交替的半周期期间将氢离子和电子吸向衬底。射频源135的频率最好在13.56兆赫左右，同时其功率密度应足以电离衬底115周围的大气。在容性调谐网络140处测出的该功率密度在0.1瓦/平方厘米以上，最好在0.2瓦/平方厘米与1.0瓦/平方厘米之间。经电离的氢气起选择性腐蚀剂的作用，提高金刚石状碳（杂化SP3碳）在衬底115上的形成率。氢与衬底表面上的任何非金刚石状碳或石墨（杂化SP2碳）化合，生成甲烷气蒸发掉。氢气最好以50∶1的比例与小量的氩气混合。
在衬底115上淀积碳起码应在10-2或10-3乇的环境压力下进行，使所加的电场在衬底附近维持经电离蒸汽的等离子体，而石墨源106碳的蒸发则应在不大于约10-4乇的环境压强下进行，使电子束源104可以稳定工作。为达到这个目的，将小室100挡板102两侧按不同的真空度抽真空。维持小室100第一侧100a中衬底115附近的环境压强处于较高压强的状态（约10-2至10-3乇）。小室100第二侧100b中电子束源104与固体碳靶106之间的电子束通路附近的环境压强则保持在较低（约10-4乇）或以下的压强。真空泵145将小室的第二侧100b抽成约10-4乇的真空。蝶形阀155通过旁通歧管150控制挡板102两侧的压力差。旁通歧管150的直径约为3英寸。第一压力传感器160检测衬底115附近小室100第一侧100a的环境压强，同时第二压力传感器165使使用者可以检查小室100第二侧100b中的环境压强。真空泵145系选取得使该压强维持在10-4乇或以下。小室压强差反馈控制系统170根据第一压强传感器160的输出通过蝶形阀伺服机构175控制蝶形阀155的位置，以便调节小室100第一侧100a中衬底115附近的环境压强。衬底夹具110附近石英晶体监视器180的谐振频率随着经蒸发的碳在其表面上的聚集而发生变化。碳聚在石英晶体监视器180上的速率与碳在附近衬底115上的淀积速率成正比。控制器185检测石英晶体监视器谐振频率的变化并调节电子束源104中的灯丝电流，由此调节碳从石墨源106蒸发的速率，以便达到碳在衬底115上所要求的淀积速率。一般说来，控制器185将碳的淀积速率维持在30埃/分与300埃/分之间的选定点上。
为确保衬底115的温度维持在大约75℃，令水之类的冷却剂循环通过衬底夹具110对衬底进行冷却。为此，将衬底夹具110的空心内部划分成输入腔110a和输出腔110b。冷却剂沿轴125中心的空心内部通道往下泵送，沿轴125同心围绕通道125a的另一空心内部通道125b回流。
下面是金刚石状碳淀积工艺操作情况的一个实例：
（1）将干净的衬底115装到衬底夹具110上;
（2）将小室100抽真空到大约10-6乇的真空度;
（3）令氢气源130的气流流入小室中;
（4）将小室第一侧100a的压强调到3×10-3乇;
（5）从射频源提供0.2至1.0瓦/平方厘米之间的功率密度;
（6）用电子束发生器104以30与300埃/分之间的淀积速率使碳从固体石墨源106蒸发出来。
在上述工作实例中，压强传感器160为MKS Baratron 390HA压强传感器，反馈控制系统170则由连接到压强传感器160输出端的MKS 270B信号调节器和连接到该信号调节器输出端的MKS 252A排气阀控制器组成。蝶形阀155是个孔板可调节的MKS 253A排气阀。所有这些MKS部件都是购自美国麻萨诸塞州安多瓦市（Andover）的MKS仪器公司。连接到石英晶体监视器180的控制器185是购自美国纽约锡拉丘兹的Inficon Leibold Heraus公司的Inficon IC-6000淀积控制器。电子束电源为加利福尼亚州锡米谷的Innotec集团公司的（带扫描控制的）Eratron EB8-1118千瓦装置。电子束源则为加利福尼亚州柏克利的Airco Temescal公司出口的Temescal STIH-270-2MB电子束。
上面已具体就本发明的一些最佳实施例详细说明了本发明的内容，但应该理解的是，在不脱离本发明的范围和精神实质的前提下是可以对上述实施例进行更改和修改的。