生长出无金属且低应力的类钻碳厚膜的方法和装置的制造方法
【专利说明】生长出无金属且低应力的类钻碳厚膜的方法和装置
[0001]著作权声明
[0002]本专利文献的披露内容的一部分包含了受到著作权保护的素材。著作权人不反对任何人对专利文献或专利披露内容以其在国家知识产权局文件或档案中所呈现的形式进行的复制，但在其他方面无论在何种情况均保留所有著作权。
[0003]相关申请的交叉引用
[0004]依据35U.S.C.§ 119(e)，这是非临时专利申请，其要求2013年10月15日申请的美国临时专利申请序列号61/961445的优先权，其披露内容在此并入作为参考。
技术领域
[0005]本发明涉及碳材料，特别涉及类钻碳(DLC)和类钻碳膜。更特别地，本发明涉及无金属且低应力的类钻碳厚膜。本发明还涉及用于形成无金属且低应力的类钻碳厚膜的方法和装置。
【背景技术】
[0006]由于类钻碳膜的高硬度、耐磨损性和低摩擦，类钻碳膜具有很广的应用范围。然而，目前可用的类钻碳膜存在许多抑制其应用的技术挑战，例如:
[0007](I)高应力限制了类钻碳膜能生长的最大厚度；
[0008](2)氟化的类钻碳(F-DLC)的硬度特性比得上类钻碳的硬度特性，除高应力外；
[0009](3)类钻碳的生长率比较慢；和
[0010](4)含金属的类钻碳降低了类钻碳的低摩擦性能。
[0011]为了解决上述挑战中的一些，已经作出了各种尝试但始终没有获得任何显著进步，这种尝试例如包括将氟结合到类钻碳膜中。如果将不同的金属离子掺杂到碳复合物中，则最终得到的类钻碳膜将具有不希望有的高摩擦。
【发明内容】
[0012]本发明减小类钻碳膜中的应力并增强其硬度，类钻碳膜可以用于例如汽车涂层、疏水-亲水调节、太阳能光伏、装饰涂层、保护涂层和生物相容性涂层的应用。
[0013]本发明的目标是高效地生产具有足够高厚度的类钻碳膜堆。本发明进一步的目标是克服沉积类钻碳层的饱和生长率的限制。
[0014]本发明的一个实施方式是无金属的氟化的类钻碳膜堆。所述无金属的氟化的类钻碳膜堆可以通过重复沉积和在重复沉积之前进行的表面蚀刻形成的。所述无金属的氟化的类钻碳具有减小的应力、增强的硬度和所需的厚度。
[0015]本发明的另一个实施方式是一种生产无金属的氟化的类钻碳膜堆的方法，所述方法包括沉积和蚀刻类钻碳层。单词“层”和“膜”在下文中被可互换地使用。所述方法提供高的生长率并且可以利用本发明中披露的装置高效地实施。为了准备用于新的类钻碳层的沉积的表面，在不破坏真空条件的情况下，在同一腔室中的沉积之前在现有的类钻碳层上进行蚀刻。
[0016]本发明的一个方面是通过提供类钻碳膜堆来减小类钻碳涂层中的应力。
[0017]本发明的另一个方面是生长出厚的类钻碳膜堆。
[0018]本发明的另一个方面是提供一种以高生长率生产无金属的氟化的类钻碳膜堆的装置和方法。类钻碳生长结构与进入的氢H和H钝化的类钻碳表面的特性有很大关系。H钝化的类钻碳的改性表面将调节类钻碳膜的生长率，因此调节所得到的膜的应力特性。
[0019]本发明涉及在基底上生长类钻碳膜的机构。
[0020]本发明的主要独特性在于几个方面:
[0021](I)在单独而连续的步骤中沉积和蚀刻而不是在同一沉积步骤中或在两个不同的腔室中放入所有气体的新颖观念；
[0022](2)新的装置能灵活地在同一腔室中容纳等离子体增强的化学汽相沉积(PECVD)和蚀刻；
[0023](3)氟稀释(fluorine-attenuated)层在维持氢化类钻碳的基本性质的同时减小应力。
[0024]以氟化学品如SiF2和SiF4挥发性物质或碳氟气体CxHy或醛CxHyOz蚀刻硅材料，如S1、Si02和Si3N4。等离子体蚀刻系统在建立的过程中利用氟化学品蚀刻Si和S12,并且如果我们将类钻碳基底放在蚀刻机中，F*中性物将攻击类钻碳中的H-和C-，在这种情况中我们可以通过F中性交互作用使类钻碳表面改性。
[0025]本发明提供了类钻碳膜堆，其包括堆叠在一起的多个无金属类钻碳层；和至少在第一无金属类钻碳层上的氟稀释表面，第二无金属类钻碳层沉积到第一无金属类钻碳层上。通过在沉积所述第二无金属类钻碳层之前蚀刻所述第一无金属类钻碳层而形成该类钻碳膜堆的氟稀释表面。
[0026]本发明还提供了一种形成类钻碳膜堆的方法，包括:沉积第一类钻碳层；蚀刻第一类钻碳层以在第一类钻碳层上形成氟稀释表面；和在第一类钻碳层的氟稀释表面上进一步沉积类钻碳层以形成类钻碳层堆。在一实施方式中，沉积使用一种或多种烃类气体。在不破坏真空条件的情况下在一个单一的腔室中执行蚀刻和沉积。
[0027]这种形成类钻碳膜堆的方法还包括:确定类钻碳层堆的厚度。
[0028]这种形成类钻碳膜堆的方法还包括:在类钻碳层堆的顶部进行蚀刻并在已经被蚀刻的类钻碳层堆的顶部上沉积新的类钻碳层，上述过程重复一次或多次，直到类钻碳层堆的厚度达到所需值为止。本发明还提供通过上述方法制造的类钻碳膜堆。
[0029]形成类钻碳膜堆的方法还包括:蚀刻基底，第一类钻碳层沉积在该基底上。在一实施方式中，蚀刻使用一种或多种碳氟气体。
[0030]在一实施方式中，当重复蚀刻和沉积时，不同的工艺参数例如压力和温度被用于蚀刻或沉积，从而利用第一组工艺参数执行蚀刻和利用第二组工艺参数执行沉积，其中第一组工艺参数不同于第二组工艺参数。
[0031]本发明还提供了一种用于形成类钻碳膜堆的装置，包括:用于生成等离子体的电源，其能提供输出，所述输出选自由射频输出、脉冲输出和将射频输出与DC结合的输出构成的组；被供应用于蚀刻和沉积的一种或多种气体的腔室；和用于检测氟终止表面的终点检测装置。在一实施方式中，所述一种或多种气体中的每一种的气流由可变波形控制。
[0032]该装置还包括:从所述腔室的多个位置供应所述一种或多种气体的多个口。
[0033]权利要求11的这种装置，还包括:用于保持一个或多个基底的、带有被加热的夹盘的基底保持器，类钻碳膜堆将形成在所述基底上。
[0034]在另一个实施方式中，该装置中的腔室产生脉冲DC激发等离子体和射频激发等离子体。并且射频激发等离子体在13.56MHz至60GHz之间的频率范围内工作。
[0035]在另一个实施方式中，该装置的腔室具有等离子体密度控制器。
[0036]在另一个实施方式中，该装置的腔室具有等离子体源，其选自由电感耦合等离子体和电子回旋共振构成的组。
[0037]在另一个实施方式中，该装置的腔室将可调偏置电压供应给基底。
[0038]在另一个实施方式中，该装置的终点检测装置利用椭圆测量术监测类钻碳膜堆的厚度。
【附图说明】
[0039]现在将在下文中参考附图仅以例子的方式更详细地描述本发明的实施方式，其中:
[0040]图1A是一个图表，其表示在通过连续沉积生长出类钻碳膜的过程中，类钻碳膜的生长率随着时间的变化，其中在沉积过程中没有插入任何蚀刻。
[0041]图1B是一个图表，其表示在通过连续沉积生长出类钻碳膜的过程中，类钻碳膜的