專利名稱：薄膜形成方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種形成薄膜層、保護層、耐摩擦層的方法和系統(tǒng)，尤指一種在磁性裝置上形成保護層的方法和系統(tǒng)。
背景技術：
目前，磁性裝置，如磁性讀/寫頭、磁盤，被廣泛應用于數據儲存工業(yè)。參考圖4，典型的磁性讀/寫頭，如磁阻(magneto-resistance，MR)磁頭，通常包括基片34，屏蔽罩(shield)33，磁阻元件35，線圈32及磁軛(yoke)31.參考圖6，典型的磁盤包括基片10、緩沖層(buffer layer)20及磁性層(magneticlayer)30。上述裝置有一些重要的元件，如屏蔽罩33，磁阻元件35，磁軛31，及磁性層30，均由功能材料制成，而且這些功能材料大部分是金屬，如Ni，Fe，Mn，Pt，Au，Co，Ti，Cu等。這些金屬材料中的一些十分容易被腐蝕或損毀。因此，保護膜(被覆層)被用于阻止這些元件被腐蝕或損毀。
此外，近年來，硬碟驅動器(Hard Disk Driver，HDD)的表面記錄密度/面積密度(surface recording density/areal density)不斷增長。面積密度的增長需要有更高的信號強度和更低的浮動高度(flying height)；對應地，就需要有一個更薄的被覆層(overcoat)。例如，在不遠的將來，對于磁性讀/寫頭來說，為了達到一個高的面積密度(如大于120Gb每平方英寸)，一個特薄的被覆層(厚度等于或小于3nm)是十分必要的。對應地，更低的浮動高度及更高的轉速需要被覆層有優(yōu)良的特性，如硬度、傳導性及摩擦性能。
為了形成滿足上述需要的保護層(overcoat)，許多薄膜形成方法已經被應用。當前，最通常的在磁頭表面形成保護層的方法是電子回旋化學氣相沉積(Electron Cyclotron Resonance Chemical Vapor Deposition，ECR CVD)和直接或二次離子沉積(directly or secondary ion beam deposition(IBD))?？墒?，這些方法暴露出了在降低被覆層厚度上的局限性。這種狀況的出現有如下原因第一，為了逐漸增加磁通密度(magnetic flux density)，磁性裝置上的一些重要元件，如讀/寫元件材料，磁軛及屏蔽罩變得對腐蝕越來越敏感。第二個原因是這些方法均使用碳氫化合物作為前體，所以形成的被覆層有一定的氫含量(5％～50％，atm％)，當被覆層變薄時，其上將形成許多瑕疵(例如空白(vacancy)，甚至針孔(pin hole))。這些瑕疵將會在磁性裝置的制造、應用及可靠性測試過程中顯現出來。
上述方法的另外一個問題是高的沉積率導致形成被覆層(例如等于或小于3nm)的時間非常短，這將使得形成在一批磁性裝置上的被覆層不均一。此外，當前的鍍膜機器利用一個閘門來阻擋離子束，所述閘門通常需要2秒的時間打開或關閉。在打開或關閉閘門的過程中，仍會有一些離子束轟擊磁性裝置表面，這也會導致形成在一批磁性裝置上的被覆層不均一。
因此，為克服現有技術的缺點，提供一種在磁性裝置上形成優(yōu)良薄膜的方法和系統(tǒng)十分必要。

發(fā)明內容
基于現有技術的不足，本發(fā)明的主要特征在于提供一種形成薄膜的方法和系統(tǒng)，可以在物體上形成均一性良好的薄膜。
為了獲得上述特征，本發(fā)明一種薄膜形成方法，包括如下步驟(1)固持至少一個物體在真空室中；(2)沉積一種成膜材料在所述物體上；(3)在沉積成膜材料的同時蝕刻所述成膜材料。在本發(fā)明中，所述沉積與蝕刻過程被控制成同時進行。所述沉積過程是通過置備一個成膜靶材并發(fā)射離子束轟擊該成膜靶材而進行的。所述蝕刻過程包括如下步驟(1)在所述真空室中制備具有特定壓力的惰性或活性氣體；(2)離子化所述氣體產生蝕刻離子束轟擊所述物體。
本發(fā)明一種系統(tǒng)，包括用于成膜的真空室；將物體固定在真空室中的定位裝置；在所述物體上進行沉積作業(yè)的處理裝置；對所述物體進行蝕刻的蝕刻裝置；及控制所述處理裝置和蝕刻裝置離子束處理時間的控制器。在本發(fā)明中，所述控制器為一個置于所述物體前的閘門，該閘門在所述處理裝置和蝕刻裝置發(fā)射的離子束穩(wěn)定時被打開。
作為本發(fā)明一個實施例，一種薄膜形成方法包括如下步驟(1)固持至少一個物體在真空室中；(2)所述真空室被抽真空到設定的氣壓，然后惰性或活性氣體被引入蝕刻源(etching source)；(3)所述惰性或活性氣體被離子化并通過蝕刻源的柵極被引出(extract)而產生蝕刻離子束(etching beam)；(4)第一沉積源(deposition source)被開啟而產生所需的第一沉積離子束(deposition beam)；(5)所述沉積及蝕刻源被裝在物體前的基片閘門所阻擋；(6)當蝕刻離子束及沉積離子束均穩(wěn)定時，所述基片閘門被打開，蝕刻離子束及沉積離子束同時轟擊物體而在其上形成第一層薄膜。
在本發(fā)明中，可以通過第二沉積源轟擊物體而在所述第一層薄膜之上形成第二層薄膜。
其中，所述第一沉積源可以是離子束沉積源(ion beam deposition(IBD)source)、離子束濺射沉積源(ion beam sputter deposition(IBSD)source)、離子簇沉積源(ion cluster beam(ICB)deposition source)或者離子束輔助沉積源(ion beam assisted deposition(IBAD)source)。
本發(fā)明形成薄膜的方法和系統(tǒng)在沉積薄膜的同時使用蝕刻離子束轟擊物體，不僅提高了薄膜在物體上的粘著及被覆性能，而且極大地降低了沉積率并延長了沉積時間，這樣，在一批物體上形成薄膜的均一性明顯提高。顯而易見，低的沉積率亦可減輕在開關閘門時對薄膜的均一性的影響。此外，本發(fā)明薄膜形成方法亦克服了通過傳統(tǒng)薄膜形成方法形成的具有優(yōu)良可靠性的薄膜的厚度限制(例如，等于或大于3nm)。
為使本發(fā)明更加容易理解，下面將結合附圖進一步闡述本發(fā)明薄膜形成方法及系統(tǒng)的實施例。


圖1為本發(fā)明薄膜形成方法一個實施例的流程圖；
圖2為本發(fā)明薄膜形成系統(tǒng)一個實施例的示意圖；圖3為一個磁頭的頂視圖；圖4為圖3中磁頭的極間(pole，橢圓線IV所示)沿A-A線的剖視圖，所述磁頭表面有通過本發(fā)明薄膜形成方法形成的保護膜；圖5為一個磁盤的立體圖；圖6為圖5中磁盤沿B-B線的剖視圖，所述磁盤表面有通過本發(fā)明薄膜形成方法形成的保護膜；圖7為通過傳統(tǒng)薄膜形成方法形成的保護膜在酸浸測試后的掃描電子顯微圖片(Scanning Electron Microscope picture，SEM picture)；圖8為通過本發(fā)明薄膜形成方法形成的保護膜在酸浸測試后的掃描電子顯微圖片(Scanning Electron Microscope picture，SEM picture)。
具體實施例方式
一種薄膜形成方法，包括如下步驟(1)固持至少一個物體在真空室中；(2)沉積一種成膜材料在所述物體上；(3)在沉積成膜材料的同時蝕刻所述成膜材料。在本發(fā)明中，所述沉積與蝕刻過程被控制成同時進行。所述沉積過程是通過置備一個成膜靶材并發(fā)射離子束轟擊該成膜靶材而進行的。所述蝕刻過程包括如下步驟(1)在所述真空室中制備具有特定壓力的惰性或活性氣體；(2)離子化所述氣體產生蝕刻離子束轟擊所述物體。
參考附圖，圖1為本發(fā)明薄膜形成方法一個實施例的流程圖，該方法包括如下步驟(1)固持至少一個物體在真空室中(步驟100)；(2)所述真空室被抽真空到設定的氣壓，然后惰性或活性氣體被引入蝕刻源(etching source)(步驟101)；(3)所述惰性或活性氣體被離子化并通過蝕刻源的柵極被引出而產生蝕刻離子束(etching beam)(步驟102)；(4)第一沉積源(depositionsource)被開啟而產生所需的第一沉積離子束(deposition beam)(步驟103)；(5)所述沉積及蝕刻源被裝在物體前的基片閘門所阻擋(步驟104)；(6)當蝕刻離子束及沉積離子束均穩(wěn)定時，所述基片閘門被打開，蝕刻離子束及沉積離子束同時轟擊物體而在其上形成第一層薄膜(步驟105)。
在本發(fā)明中，可以通過第二沉積源轟擊物體而在所述第一層薄膜之上形成第二層薄膜。第二沉積源是一個使用碳氫化合物作前體并有另一離子源輔助的離子源(ion beam source)，或者是一個使用碳氫化合物作前體并有另一離子源輔助的微波離子源(microwave ion source)。對應地，所形成的第二層膜為類金剛石碳膜。在步驟(103)中，第一沉積離子束是通過用一個離子源去轟擊一個硅(或其他材料，如石墨)靶材而產生的， 第一層膜是硅(或者其他材料，如碳)膜。在步驟(101)中，蝕刻源可以是射頻感應等離子源(radiofrequency inductive plasma source)，或者是考夫曼離子源(Kaufman ionsource)。所述柵極可以是兩層結構(two-platter structure)或三層結構，并具有凹、凸或平整的表面。在本發(fā)明中，最好為三層結構。一個具有三層結構的柵極包括一個離子束柵極(beam grid)，抑制柵極(suppressor grid)及接地柵極(ground grid)。
在步驟(101)中，所述惰性或活性氣體通過質量流量控制器(Mass FlowController，MFC)被引入蝕刻源。在所述惰性或活性氣體被引入前，所述真空室的氣壓通常被抽真空至1X10E-6托(Torr)。所述惰性或活性氣體被引入后，蝕刻源被點燃，過一段時間后所述等離子束變得穩(wěn)定。接著，第一沉積源被開啟。在本發(fā)明中，所述蝕刻源及第一沉積源前端各設有一個閘門，當蝕刻源及第一沉積源產生的等離子束變得穩(wěn)定時，上述兩個閘門被打開同時蝕刻及鍍覆物體。
在本發(fā)明中，蝕刻源和沉積源均被調整到一個最優(yōu)化的功率。為了避免對物體上重要元件(如圖4中磁頭上的磁阻元件35)的損傷，蝕刻源的離子能通常在60電子伏與200電子伏之間。第一沉積源的參數可根據沉積率及均一性的需要進行任意調整。
下面給出本發(fā)明一個具體實施例以便于更加詳細的了解本發(fā)明。
參考圖2，首先，裝有物體4的貨盤11通過機器人被放進真空室9中并固定到固定裝置7上，所述貨盤11根據需要傾斜一定角度。在本發(fā)明中，形成薄膜的系統(tǒng)設置蝕刻源1和第一沉積源2(在本實施例中為二次離子沉積系統(tǒng))用于鍍覆磁性裝置4，此外，二個閘門6，3分別裝在蝕刻源1和第一沉積源2前端。蝕刻源1可產生蝕刻離子束(在本實施例中為氬離子束)，第一沉積源2可產生第一沉積離子束?；l門5被提供在磁性裝置4前端阻止磁性裝置4在蝕刻離子束和第一沉積離子束不穩(wěn)定時被鍍覆。
所述在真空室9中的鍍覆過程是通過如下步驟實現的步驟1 表面清理首先，蝕刻源1被打開用以產生氬離子束，所述蝕刻源1工作條件如下氬氣的流量為15 SCCM，射頻引燃電源功率為350瓦，射束電壓(beam voltage)為120伏，射束電流(beam current)為100毫安培，抑制電壓(suppressorvoltage)為200伏，氬離子束射向物體4的入射角為60度。
30秒后，當氬離子束穩(wěn)定時，閘門6和基片閘門5被打開。接著，在貨盤11上的物體4被氬離子束蝕刻30～60秒鐘直到物體4的表面被清理干凈。然后，基片閘門5被關閉，蝕刻源1保持上述工作條件繼續(xù)處于開啟狀態(tài)。
步驟2 鍍第一層膜這里選擇硅膜為第一層膜，二次離子沉積系統(tǒng)(secondary ion beamdeposition system)2用于非晶硅沉積。所述二次離子沉積系統(tǒng)2包括離子源22和硅靶材21。所述用于轟擊硅靶材21的離子源22的工作條件設定如下氬氣的流量為10 SCCM，射頻引燃電源功率為400瓦，射束電壓為500伏，射束電流為300毫安培，抑制電壓為300伏，從離子源22發(fā)出的氬離子束射向硅靶材21的入射角為35度。
30秒后，當離子束穩(wěn)定時，閘門3和基片閘門5被打開。同時，閘門6也被打開，接著，步驟1中從蝕刻源1中發(fā)出的氬離子束轟擊物體4表面而使硅膜更加致密。所述鍍膜過程持續(xù)30～50秒直到硅膜厚度達到1nm。隨后，閘門6，3和基片閘門5被關閉，同時二次離子沉積系統(tǒng)及蝕刻源1也被關掉。
步驟3 鍍第二層膜本步驟中采用乙烯來形成第二層膜-類金剛石碳膜(DLC film)。類金剛石碳膜鍍覆使用同步驟1中蝕刻源1相同的離子源，并且保持所有的工作條件不變，僅僅將氬氣改變?yōu)榱髁繛?0 SCCM的乙烯。在上述被更改的蝕刻源被打開30秒后，離子束變得穩(wěn)定，此時打開閘門6和基片閘門5。接著，離子化的乙烯段被沉積在物體4的硅膜上而形成類金剛石碳膜，這樣，鍍膜物體就形成了。此后，閘門6和基片閘門5被關閉，離子源亦被關閉。當物體4為磁頭或磁碟時，形成于其上的保護膜36或40分別如圖3-4和5-6所示。
在上述步驟中，所述系統(tǒng)還包括一個中和器(neutralizer)，用于消除物體4上的電荷積聚。此外，在本發(fā)明中，貨盤11以15轉/分的速度旋轉。
參考圖7-8，通過對比本發(fā)明及傳統(tǒng)薄膜形成方法形成的具有相同厚度的保護膜在酸浸測試中的結果，可見通過本發(fā)明薄膜形成方法在物體上形成的保護膜展示出良好的性能，如表面覆蓋性能。測試結果同時顯示通過本發(fā)明薄膜形成方法在物體上形成的保護膜在厚度減至2.5nm進行酸浸測試時無任何明顯的腐蝕現象。然而，通過傳統(tǒng)薄膜形成方法在物體上形成的保護膜在厚度為4nm時才能達到此效果。
在本發(fā)明中，氬氣可被其它惰性或活性氣體所代替，第一沉積源2也可以是直接離子束沉積源(directly ion beam deposition(IBD)source)、離子束濺射沉積源(ion beam sputter deposition(IBSD)source)、離子簇沉積源(ion cluster beam(ICB)deposition source)或者離子束輔助沉積源(ionbeam assisted deposition(IBAD)source)。因為上述沉積源為本領域技術人員所熟知，在此不再贅述。
以上所揭露的僅為本發(fā)明薄膜形成方法和系統(tǒng)的較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發(fā)明之權利范圍，因此依本發(fā)明申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本實用新型所涵蓋的范圍。
權利要求
1.一種薄膜形成方法，包括如下步驟固持至少一個物體在真空室中；沉積一種成膜材料在所述物體上；在沉積成膜材料時對所述成膜材料進行蝕刻。
2.如權利要求1所述的薄膜形成方法，其特征在于所述沉積與蝕刻過程被控制成同時進行。
3.如權利要求2所述的薄膜形成方法，其特征在于所述沉積過程是通過置備一個成膜靶材并發(fā)射離子束轟擊該成膜靶材而進行的。
4.如權利要求3所述的薄膜形成方法，其特征在于所述蝕刻過程包括如下步驟在所述真空室中制備具有特定壓力的惰性或活性氣體；離子化所述氣體產生蝕刻離子束轟擊所述物體。
5.如權利要求1所述的薄膜形成方法，其特征在于所述對沉積與蝕刻過程的控制是在所述離子束與蝕刻離子束穩(wěn)定后，暴露所述物體同時進行沉積與蝕刻。
6.一種系統(tǒng)，包括用于成膜的真空室；將物體固定在真空室中的定位裝置；在所述物體上進行沉積作業(yè)的處理裝置；對所述物體進行蝕刻的蝕刻裝置；及控制所述處理裝置和蝕刻裝置離子束處理時間的控制器。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于所述控制器為一個置于所述物體前的閘門，該閘門在所述處理裝置和蝕刻裝置發(fā)射的離子束穩(wěn)定時被打開。
8.如權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于二個附加的閘門分別安裝在所述處理裝置和蝕刻裝置的前端。
9.如權利要求6或8所述的系統(tǒng)，其特征在于所述蝕刻裝置內包括一個柵極。
10.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)還包括一個中和器，用于消除物體上的電荷積聚。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜形成方法，該方法包括如下步驟(1)固持至少一個物體在真空室中；(2)沉積一種成膜材料在所述物體上；(3)在沉積成膜材料的同時蝕刻所述成膜材料；在本發(fā)明中，所述沉積與蝕刻過程是同時進行的。本發(fā)明同時公開了一種實現上述方法的系統(tǒng)。
文檔編號G11B5/127GK1598928SQ0315954
公開日2005年3月23日 申請日期2003年9月17日 優(yōu)先權日2003年9月17日
發(fā)明者方宏新, 馬洪濤, 張柏清, 陳寶華, 丘德利·所門 申請人:新科實業(yè)有限公司