生長出無金屬且低應(yīng)力的類鉆碳厚膜的方法和裝置的制造方法
【專利說明】生長出無金屬且低應(yīng)力的類鉆碳厚膜的方法和裝置
[0001]著作權(quán)聲明
[0002]本專利文獻(xiàn)的披露內(nèi)容的一部分包含了受到著作權(quán)保護(hù)的素材。著作權(quán)人不反對任何人對專利文獻(xiàn)或?qū)＠秲?nèi)容以其在國家知識產(chǎn)權(quán)局文件或檔案中所呈現(xiàn)的形式進(jìn)行的復(fù)制，但在其他方面無論在何種情況均保留所有著作權(quán)。
[0003]相關(guān)申請的交叉引用
[0004]依據(jù)35U.S.C.§ 119(e)，這是非臨時專利申請，其要求2013年10月15日申請的美國臨時專利申請序列號61/961445的優(yōu)先權(quán)，其披露內(nèi)容在此并入作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005]本發(fā)明涉及碳材料，特別涉及類鉆碳(DLC)和類鉆碳膜。更特別地，本發(fā)明涉及無金屬且低應(yīng)力的類鉆碳厚膜。本發(fā)明還涉及用于形成無金屬且低應(yīng)力的類鉆碳厚膜的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0006]由于類鉆碳膜的高硬度、耐磨損性和低摩擦，類鉆碳膜具有很廣的應(yīng)用范圍。然而，目前可用的類鉆碳膜存在許多抑制其應(yīng)用的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如:
[0007](I)高應(yīng)力限制了類鉆碳膜能生長的最大厚度；
[0008](2)氟化的類鉆碳(F-DLC)的硬度特性比得上類鉆碳的硬度特性，除高應(yīng)力外；
[0009](3)類鉆碳的生長率比較慢；和
[0010](4)含金屬的類鉆碳降低了類鉆碳的低摩擦性能。
[0011]為了解決上述挑戰(zhàn)中的一些，已經(jīng)作出了各種嘗試但始終沒有獲得任何顯著進(jìn)步，這種嘗試?yán)绨▽⒎Y(jié)合到類鉆碳膜中。如果將不同的金屬離子摻雜到碳復(fù)合物中，則最終得到的類鉆碳膜將具有不希望有的高摩擦。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明減小類鉆碳膜中的應(yīng)力并增強其硬度，類鉆碳膜可以用于例如汽車涂層、疏水-親水調(diào)節(jié)、太陽能光伏、裝飾涂層、保護(hù)涂層和生物相容性涂層的應(yīng)用。
[0013]本發(fā)明的目標(biāo)是高效地生產(chǎn)具有足夠高厚度的類鉆碳膜堆。本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)是克服沉積類鉆碳層的飽和生長率的限制。
[0014]本發(fā)明的一個實施方式是無金屬的氟化的類鉆碳膜堆。所述無金屬的氟化的類鉆碳膜堆可以通過重復(fù)沉積和在重復(fù)沉積之前進(jìn)行的表面蝕刻形成的。所述無金屬的氟化的類鉆碳具有減小的應(yīng)力、增強的硬度和所需的厚度。
[0015]本發(fā)明的另一個實施方式是一種生產(chǎn)無金屬的氟化的類鉆碳膜堆的方法，所述方法包括沉積和蝕刻類鉆碳層。單詞“層”和“膜”在下文中被可互換地使用。所述方法提供高的生長率并且可以利用本發(fā)明中披露的裝置高效地實施。為了準(zhǔn)備用于新的類鉆碳層的沉積的表面，在不破壞真空條件的情況下，在同一腔室中的沉積之前在現(xiàn)有的類鉆碳層上進(jìn)行蝕刻。
[0016]本發(fā)明的一個方面是通過提供類鉆碳膜堆來減小類鉆碳涂層中的應(yīng)力。
[0017]本發(fā)明的另一個方面是生長出厚的類鉆碳膜堆。
[0018]本發(fā)明的另一個方面是提供一種以高生長率生產(chǎn)無金屬的氟化的類鉆碳膜堆的裝置和方法。類鉆碳生長結(jié)構(gòu)與進(jìn)入的氫H和H鈍化的類鉆碳表面的特性有很大關(guān)系。H鈍化的類鉆碳的改性表面將調(diào)節(jié)類鉆碳膜的生長率，因此調(diào)節(jié)所得到的膜的應(yīng)力特性。
[0019]本發(fā)明涉及在基底上生長類鉆碳膜的機構(gòu)。
[0020]本發(fā)明的主要獨特性在于幾個方面:
[0021](I)在單獨而連續(xù)的步驟中沉積和蝕刻而不是在同一沉積步驟中或在兩個不同的腔室中放入所有氣體的新穎觀念；
[0022](2)新的裝置能靈活地在同一腔室中容納等離子體增強的化學(xué)汽相沉積(PECVD)和蝕刻；
[0023](3)氟稀釋(fluorine-attenuated)層在維持氫化類鉆碳的基本性質(zhì)的同時減小應(yīng)力。
[0024]以氟化學(xué)品如SiF2和SiF4揮發(fā)性物質(zhì)或碳氟氣體CxHy或醛CxHyOz蝕刻硅材料，如S1、Si02和Si3N4。等離子體蝕刻系統(tǒng)在建立的過程中利用氟化學(xué)品蝕刻Si和S12,并且如果我們將類鉆碳基底放在蝕刻機中，F(xiàn)*中性物將攻擊類鉆碳中的H-和C-，在這種情況中我們可以通過F中性交互作用使類鉆碳表面改性。
[0025]本發(fā)明提供了類鉆碳膜堆，其包括堆疊在一起的多個無金屬類鉆碳層；和至少在第一無金屬類鉆碳層上的氟稀釋表面，第二無金屬類鉆碳層沉積到第一無金屬類鉆碳層上。通過在沉積所述第二無金屬類鉆碳層之前蝕刻所述第一無金屬類鉆碳層而形成該類鉆碳膜堆的氟稀釋表面。
[0026]本發(fā)明還提供了一種形成類鉆碳膜堆的方法，包括:沉積第一類鉆碳層；蝕刻第一類鉆碳層以在第一類鉆碳層上形成氟稀釋表面；和在第一類鉆碳層的氟稀釋表面上進(jìn)一步沉積類鉆碳層以形成類鉆碳層堆。在一實施方式中，沉積使用一種或多種烴類氣體。在不破壞真空條件的情況下在一個單一的腔室中執(zhí)行蝕刻和沉積。
[0027]這種形成類鉆碳膜堆的方法還包括:確定類鉆碳層堆的厚度。
[0028]這種形成類鉆碳膜堆的方法還包括:在類鉆碳層堆的頂部進(jìn)行蝕刻并在已經(jīng)被蝕刻的類鉆碳層堆的頂部上沉積新的類鉆碳層，上述過程重復(fù)一次或多次，直到類鉆碳層堆的厚度達(dá)到所需值為止。本發(fā)明還提供通過上述方法制造的類鉆碳膜堆。
[0029]形成類鉆碳膜堆的方法還包括:蝕刻基底，第一類鉆碳層沉積在該基底上。在一實施方式中，蝕刻使用一種或多種碳氟氣體。
[0030]在一實施方式中，當(dāng)重復(fù)蝕刻和沉積時，不同的工藝參數(shù)例如壓力和溫度被用于蝕刻或沉積，從而利用第一組工藝參數(shù)執(zhí)行蝕刻和利用第二組工藝參數(shù)執(zhí)行沉積，其中第一組工藝參數(shù)不同于第二組工藝參數(shù)。
[0031]本發(fā)明還提供了一種用于形成類鉆碳膜堆的裝置，包括:用于生成等離子體的電源，其能提供輸出，所述輸出選自由射頻輸出、脈沖輸出和將射頻輸出與DC結(jié)合的輸出構(gòu)成的組；被供應(yīng)用于蝕刻和沉積的一種或多種氣體的腔室；和用于檢測氟終止表面的終點檢測裝置。在一實施方式中，所述一種或多種氣體中的每一種的氣流由可變波形控制。
[0032]該裝置還包括:從所述腔室的多個位置供應(yīng)所述一種或多種氣體的多個口。
[0033]權(quán)利要求11的這種裝置，還包括:用于保持一個或多個基底的、帶有被加熱的夾盤的基底保持器，類鉆碳膜堆將形成在所述基底上。
[0034]在另一個實施方式中，該裝置中的腔室產(chǎn)生脈沖DC激發(fā)等離子體和射頻激發(fā)等離子體。并且射頻激發(fā)等離子體在13.56MHz至60GHz之間的頻率范圍內(nèi)工作。
[0035]在另一個實施方式中，該裝置的腔室具有等離子體密度控制器。
[0036]在另一個實施方式中，該裝置的腔室具有等離子體源，其選自由電感耦合等離子體和電子回旋共振構(gòu)成的組。
[0037]在另一個實施方式中，該裝置的腔室將可調(diào)偏置電壓供應(yīng)給基底。
[0038]在另一個實施方式中，該裝置的終點檢測裝置利用橢圓測量術(shù)監(jiān)測類鉆碳膜堆的厚度。
【附圖說明】
[0039]現(xiàn)在將在下文中參考附圖僅以例子的方式更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實施方式，其中:
[0040]圖1A是一個圖表，其表示在通過連續(xù)沉積生長出類鉆碳膜的過程中，類鉆碳膜的生長率隨著時間的變化，其中在沉積過程中沒有插入任何蝕刻。
[0041]圖1B是一個圖表，其表示在通過連續(xù)沉積生長出類鉆碳膜的過程中，類鉆碳膜的