用类金刚石碳镀覆刃口的方法

专利名称：用类金刚石碳镀覆刃口的方法
技术领域：
本发明涉及化学气相沉积领域，更具体而言，涉及高质量的、类金刚石碳薄膜在部分封闭或斜角很大的表面上的等离子体增强化学气相沉积。
氢化的、无定形碳(a-CH)的硬薄膜，也称作类金刚石碳(DLC)膜，可以通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)在金属表面上形成。已知的用于获得这种膜的PECVD方法产生的离子密度低(～1010cm3)。该已知方法产生的等离子体的覆盖层(sheath)厚度范围宽(0.5-1.0cm)，不能与基体细小的表面变化相一致(～0.1mm)。因此，在该已知方法中，经加速的穿过该覆层的离子垂直于基体宏观表面进行具有上述特点的沉积过程。在这些条件下，有斜角的基体表面，例如剃刀刀刃(一般在一叠层刀片中，两个刀尖间的间隔为100μm)，受到的是非垂直的反应性离子流的作用。据认为，这些条件会引起某些沉积物质的自我遮蔽，从而导致a-CH膜的柱状生长。也认为，低的等离子密度会在基体表面上产生较低的离子-原子比。吸附原子表面的可迁移性很差，例如在基体温度低(T/T熔化＜0.1)且离子流量小的情况下，在斜角很大的基体上进行沉积，也被认为会加大a-CH膜的柱状生长。这种柱状生长会使得膜中含有空洞和晶界，造成机械强度劣化。在低密度的RF电容耦合的等离子体反应器中，在斜角很大的基体如剃刀刀片上进行a-CH膜的PECVD时可观察到这种柱状生长。
所述已知方法的沉积速率也低。该已知方法的低的电子密度不能有效地分解烃类原料气体。因此，在低密度的等离子体中，前体的分子碎片的数目很少。例如，电容耦合的等离子体PECVD沉积a-CH时的典型的沉积速率在20nm/分钟的量级。这种低的沉积速率阻碍加工量的提高并使该方法效益很差。
本发明是对在基体表面上，如金属基体表面上，化学气相沉积a-CH膜的改进。概括地，本发明包括在产生敷形覆层，离子通量大以及离子轰击可控且能量低的条件下，进行a-CH膜的化学气相沉积。本发明包括将基体暴露在一种烃类气体环境中，并在该环境中，在离子通量大以及离子轰击可控且能量低的条件下，产生电子密度高于约5×1010/cm3且覆层厚度小于约2mm的等离子体。
可实现敷形覆层、离子通量大，离子轰击可控且能量低的本发明的条件包括离子电流密度(Ji)大于约2mA/cm2，偏压(-V偏压)在约100-1000V范围内。这种条件使得能够在针尖、剃刀刀刃、切削刀头和刃口，以及其它尖锐的、斜角的或锋利的表面，或者其它部分封闭的或角度很大的表面如某些书写仪器(笔尖，笔的球座，等)上存在的表面上形成坚硬且密实的类金刚石碳(a-CH)膜，而且不会出现其它已知方法中的膜的柱状生长现象。
尤其是，在本发明的一个方面中，使用一种基体偏压与等离子体功率的控制无关的感应耦合等离子体化学气相沉积反应器来分解烃类原料气体如C4H10。基体或工件，如并排叠放的剃刀刀片安置在位于反应器的真空等离子体室内部的卡盘上。
所述卡盘通过阻抗匹配电路与一个射频(RF)电源(例如13.56MHz)相连接。在使离子通量最大化(即对于感应耦合的等离子体RF功率高)和适中的基体偏压(如，在优选的实施方案中，Ji＞～3mA/cm2且～200V＜-V偏压＜～500V)的条件下产生等离子体。加到卡盘上的电能可调整由等离子体提供的施加到基体上的离子能量，因此产生与基体偏压无关的等离子体放电。这样，就获得了同时具有由中到低的离子轰击能和高离子通量，也可以使用能够获得高密度等离子体的其它方法。这些方法包括微波的、电子回旋共振的，以及其它先进的RF等离子体产生方法，例如螺旋波源和螺旋共振器。
根据本发明的另一个方面，在基体与类金刚石碳膜之间可以使用一中间层。该中间层可选自于硅、碳化硅、钒、钽、镍、铌、钼以及这些材料的合金。经验证实，硅作为这种中间层的材料的效果特别好。
感应耦合等离子体的高效率能够产生约10倍于传统RF电容耦合等离子体的离子通量。这些条件产生的优点包括覆层宽度减小，离子-原子比增大，而且，沉积速率非常高。覆层宽度的减小使得能够对基体表面的更小的结构和变化进行敷形覆盖，敷形覆层使得离子垂直地或者以小角度轰击表面，从而导致密实的膜形成。离子-原子之比值的增大导致吸附原子的表面迁移性增加，以及密度更大的膜的沉积。沉积速率的提高，其原因在于等离子体的更充分分解，会造成产量的增加和成本的降低。
由于这些优点，就可以以高的沉积速率生产类金刚石碳膜，所述膜具有密实的膜结构(即，降低机械强度的柱状晶或孔洞显著减少或根本没有[例如，采用场发射扫描电子显微镜在50000X的放大倍数下观察时，不存在直径等于或大于300的可分辨的晶粒])和高的硬度(膜硬度大于约20GPa)，从而降低了每单件的生产成本。所述方法还具有另外的优点，包括由于强烈的离子通量轰击使得切削刃口能够进行自锋利(溅射锋利)，采用氧等离子体对工作室的高速率清洗以及在沉积之前使用的任何等离子体预清洗步骤期间，快速的处理。
通过下面的结合附图所进行的详细介绍，将会更全面地了解本发明，所述附图中

图1是一用于实施本发明的感应耦合等离子体化学气相沉积反应器的横截面图；图2示出的是以离子电流/RF感应功率，平均基体偏压和覆层厚度描述本发明的图；图3示出的是根据本发明所产生的膜的硬度与RF感应功率和平均基体偏压之间的关系；图4示出的是根据本发明所产生的膜的硬度与平均基体偏压之间的关系；图5是采用传统的电容耦合等离子体增强化学气相沉积在剃刀刀片上沉积的类金刚石碳膜的横截面的显微照片(50,000X)；图6是在本发明的示范性实验中沉积在剃刀刀片上的类金刚石碳膜截面的显微照片(50,000X)；图7是在本发明的又一个示范性实验中沉积在剃刀刀片上的类金刚石碳膜的截面的显微照片(50,000X)；
图8是在本发明的再一个示范性实验中，沉积在剃刀刀片上的类金刚石碳膜的截面的显微照片(50,000X)；图9是在本发明的又一个示范性实验中，沉积在剃刀刀片上的类金刚石碳膜的截面的显微照片(50,000X)；图10是采用传统的电容耦合等离子体化学气相沉积方法沉积在剃刀刀片刃口上的类金刚石碳膜的立体图的显微照片(50,000X)；图11是采用传统的电容耦合等离子体化学气相沉积方法沉积在剃刀刀刃上的类金刚石碳膜的截面的显微照片(50,000X)；图12是根据本发明沉积在剃刀刀片上的类金刚石碳膜的立体图的显微照片(50,000X)；图13是根据本发明沉积在剃刀刀刃上的类金刚石碳膜的截面的显微照片(50,000X)；图14示出的是本发明的沉积速率与RF感应功率之间的关系；图15A为本发明的又一实施方案的示意说明图；图15B示出的是图15A的实施方案中的脉冲RF偏压的一个实施例；图16示出的是本发明的脉冲偏压膜的硬度与膜的内应力间的关系曲线，作为比较，连续波偏压膜的结果也在该图中示出；以及图17示出的是用于实施本发明的工艺流程实例的流程图。
本发明通过等离子体增强化学气相沉积，改善了在基体上形成的类金刚石碳膜。根据本发明，在高离子通量和可控的，低能量的离子轰击条件下，采用等离子体增强化学气相沉积来进行烃类气体的分解将在基体上形成硬且密实的a-CH膜，而没有其它已知方法中柱状生长之类的情形出现，即使基体形状古怪或存在斜角也是如此。本发明包括将一基体暴露在一烃类气体环境中，并在该环境中，在高的离子通量和可控的、低能量的离子轰击条件下，产生电子密度大于约5×1010/cm3且覆层厚度低于约2mm的等离子体。这种条件可以通过对离子通量密度和基体偏压独立控制，使离子通量最大化的同时基体偏压保持适中来获得。这些条件包括离子电流(Ji)大于约2mA/cm2，以及偏压(-V偏压)为约100-1000V。
在本发明的一个实施方案中，使用感应耦合的等离子体化学气相沉积反应器来在一个斜角基体上生成本发明的密实且坚硬的a-CH膜。当采用感应耦合的等离子体化学气相沉积来说明本发明时，其它能够获得高密度等离子体的产生等离子的方法也可以使用。
在实施本发明中可以使用的感应耦合反应器示于图1中。图1中的反应器包括一个与真空等离子体室12相连接的感应等离子体发生器10，在所述真空等离子体室中，基体卡盘14处在位于石英窗11下方的等离子体场中。典型地，卡盘14用水冷却。尽管优选采用水冷却，但一定程度的发热是可以接受的。因此，也可以使用大的散热装置。
等离子发生器10包括一个通过电容器20与电感线圈18相连接的射频(RF)电源16。在等离子体室12中，基体或工件22(采用并排堆放的剃刀刀片进行描述)安放在卡盘4之上。卡盘14通过一阻抗匹配电路26与射频(RF)电源24(典型地为13.56MHz)相连接。卡盘14的RF电源24可调节来自于等离子体的施加到工件22上的离子能量。将要由等离子体加以分解的烃类原料气体经由气体入口28被通入到等离子体12中。典型地，所述原料气体为C4H10，但其它烃类气体，如CH4，C2H2，C6H6，C2H6和/或C3H8也可以使用。优选地，工件22位于下游(石英窗口11的下方)5-15cm之处，并通过水冷的卡盘14保持在室温。
在不同的感应等离子体功率和基体偏压条件下，采用上述装置进行了多个实验。对两个用以说明本发明的在刀片刃口上沉积的实施例概述如下实施例I感应等离子体功率13.56MHz下为400W，产生3mA/cm2的离子电流基体偏压-300V(dc)气体类型丁烷，C4H10气体流量50标准立方厘米/分钟(sccm)压力5毫乇(等离子体关闭时)，12毫乇(等离子体打开时)
覆层宽度的计算值 1240μm刀片刃口上的沉积速率 100nm/分钟评价轻微的柱状生长密度级别＝3.5实施例II感应等离子体功率 13.56MHz下为800W，产生6mA/cm2的离子电流基体偏压 -200V(dc)气体类型 丁烷，C4H10气体流量 50标准立方厘米/分钟(sccm)压力 5毫乇(等离子体关闭时)，12毫乇(等离子体打开时)覆层宽度的计算值 650μm刀片刃口上的沉积速率 100nm/分钟评价无柱状生长密度级别＝4.0在所述实施例中，涉及到了膜的“密度级别”，所述级别所对应的是一个对刀片刃口涂层进行分类的半定量系统，其中，采用场发射扫描电子显微镜在50,000X的放大倍数下对涂层的显微结构进行评价。依据晶粒和孔洞结构的外观，根据下表确定所述级别涂层显微结构密度级别晶粒柱状程度很高，晶粒 1.0结构非常明显，孔洞极多晶粒柱状程度相当明显，晶粒较小些 2.0晶粒呈一定程度的柱状且晶粒结构可见 3.0完全密实 4.0
上述实施例以及其它试验的结果示于图2-4中的曲线图上。图2通过离子电流/RF感应功率，平均基体偏压和覆层厚度以图示的方式，对本发明的有关方面进行了说明。图中也示出了本发明的优选实施方案所处的区域。由图中可看出，离子电流的大小对膜的柱状生长有影响。离子电流的数值较低，会增加柱状膜的生长。较高的离子电流则会使柱状组织减少。尽管由图中看并不完全明显，但较宽的等离子体的覆层区也会导致柱状组织的增加。
图2中，可以看到，平均基体偏压对膜的硬度有影响。平均基体偏压值较低时，膜比较软。随着平均基体偏压值增大，膜的硬度增加。然而，基体偏压过高，会由于石墨化的发生而造成膜的损坏和膜硬度的降低。
图2也证实，覆层厚度是离子电流密度和基体偏压的函数。由图2可知，等离子体的覆层厚度随基体偏压的增加而增大。因此，当基体偏压增加时，等离子体对基体的敷形性降低。
本发明展现其优越之处的条件包括离子电流(Ji)高于约2mA/cm2，平均基体偏压(-V偏压)为约-100～-1000V。实施目前的优选实施方案的条件(而且，该方案的条件示于图2中上部的标示为“优选的”大片突出的区域)包括离子电流(Ji)大于或等于约3mA/cm2，平均基体偏压(V偏压)为约-200～-500V，以及覆层厚度小于或等于约1.7mm(对于叠放一起的剃刀刀片而言)。
作为比较，图2中的右下部的突出区域(标示为“传统的DLC”)勾画出电容耦合的、低密度化学气相沉积的条件和特性。该传统处理条件(相对于基体电极的RF功率)的一个实施例如下感应等离子体功率 0W基体偏压 -300V(d.c.)产生0.34mA/cm2的离子电流气体类型 丁烷，C4H10气体流量 50标准立方厘米/分钟(sccm)压力 5毫乇(等离子体关闭时)7毫乇(等离子体打开时)
覆层宽度的计算值 3630μm沉积速率 10nm/分钟电容耦合的化学气相沉积中，离子电流低(约0.3mA/cm2)而覆层范围宽。在刀片刃口上可见柱状膜。
图3证实，所产生的膜的纳米硬度(nanohardness)是RF感应功率与平均基体偏压(即工件上的离子的平均能量)的函数。由图3可看出，提高基体偏压和RF感应功率会使膜的硬度增加。此外，基体偏压过高会由于石墨化的发生而造成膜硬度的降低。
图4示出的是在200-800W的RF感应功率下所产生的膜的硬度与平均基体偏压之间的关系，该图证实适中的平均基体偏压(例如，约-200～-500V)可获得硬度最高的膜。图4也进一步证实，基体偏压过高会导致膜硬度降低。图4中的实线代表对试验数据的最佳拟合。点滑线代表拟合的置信界限为95％。
下面的在刀片刃口上进行PECVD处理的附加实施例证实，感应功率/离子电流的变化对覆层宽度以及柱状生长均有影响。所有的条件均固定，只是对感应功率/离子电流加以改变。
试验 感应功率 偏压 离子通量 覆层宽度(W) (V) (mA/cm2) (mm)(计算值)1 0 -200 ＜1-2 120 -200 1.45 23 250 -200 2.65 1.54 500 -200 4.58 15 800 -200 5.66 0.8所有试验均在5毫乇的C4H10中进行。
这些试验的结果分别如图5-9中的显微照片所示，所述照片是采用场发射扫描电子显微镜(SEM)，在50,000X的放大倍数下拍摄的。柱状组织在分别与试验1和2相对应的图5和6的涂层中清晰可见。与试验3相对应的图7中所示出的膜似乎不很清晰，但柱状特征仍明显。在分别与试验4和5相对应的图8和9的膜中，不存在可辨认的柱状组织(例如，采用场发射扫描电子显微镜(SEM)，在50,000X的放大倍数下观察时，在表面和横截面的图像中轮廓分明的直径等于或大于300的晶粒)。因此，如图2所示，在所述优选的实施方案中，所选择的离子电流极限值较低，约3mA/cm2，该值与约400W的感应功率相对应。
图10-13中的显微照片进一步图示证实根据本发明所沉积的a-CH膜质量极优。这些显微照片也是采用场发射扫描电子显微镜(SEM)，在50,000X的放大倍数下拍摄的。图10和11示出的均是采用传统的电容耦合等离子体化学气相沉积技术沉积在剃刀刀片刃口上的a-CH膜。图10和11可看出，在刀片刃口上的a-CH膜中存在轮廓清晰的晶粒和柱状生长。
相反地，图12和13示出的均是根据本发明沉积在剃刀刀片刃口上的a-CH膜。图12和13清楚地表明，采用场发射扫描电子显微镜(SEM)，在50,000X下观察时，可看到所述膜在刀刃上沉积良好，不存在可见的柱状生长或可观察到的晶粒。在根据本发明沉积的膜中，观察不到柱状组织或孔洞。
为了进一步说明本发明，并且证实本发明的沉积速率提高，图14示出了沉积速率与RF感应功率间的关系。随着感应耦合的等离子体逐渐开通，沉积速率明显增加。在曲线的起点处，施加到基体上的只有RF偏压，结果，沉积速率为10nm/分钟和偏压为-300V。这与电容耦合的等离子体气相沉积相对应。随着感应功率的增大，所述偏压电源被调整保持在-300V下。感应功率为800W时，沉积速率约170nm/分钟，该沉积速率约高于传统电容耦合的等离子体气相沉积的17倍。
在上述的本发明的实施例中，13.56MHz的RF功率连续施加到基体或工件上，以产生所述基体偏压。在本发明的又一个方面，施加到基体或工件上的偏压源可以是脉冲型的。关于图15A和15B，RF电源24的正弦波被来自于方波发生器30的方波调制，该调制过程由调制器32完成，以获得一脉冲型的RF偏压电压34。
在图15A和图15B的实施方案中，占空因数指的是偏压持续时间与整个方波周期之比。改变占空因数有两个优点1)可以降低平均偏压(离子能量)，但峰值电压可保持在最佳范围，以及2)在“关闭”期间，覆层可减小至零偏压时的厚度(例如，约30μm)，这样，在该期间，就可以获得对工件的良好的敷形覆盖。
图16示出的是膜的内应力对脉冲偏压膜以及作为比较的连续波(CW)偏压膜的影响。脉冲技术使得膜应力降低，但又不会对硬度产生影响，此为本发明又一个独有特性。
根据本发明的又一个方面，在基体与类金刚石碳膜之间可以采用中间层。该中间层可以选自硅、碳化硅、钒、钽、镍、铌、钼以及这些材料的合金。经验表明，硅作为这种中间层的材料的效果特别好。
图17示出的是本发明的示范性的制造工艺流程。一般地，预清洗步骤36有利于增强工件与DLC层的结合。这一过程可以在单一的RF感应室(以高速度)或者在传统的DC辉光放电室(速度低且处理时间长)中进行。由预清洗室可将工件送至两个或多个使用感应耦合等离子体源的DLC沉积室38和40中。其中的一个室38可以在刀片叠层上进行沉积，而同时在另一个室40中正在进行清洗。清洗是优选的，因为膜会在室壁上积累并最终剥离，造成颗粒污染。另一个示范性工艺流程在下表中进行概述时间工序室A(36) 室B(38) 室C(40)1 预清洗叠层 清洗处理室空闲2 装入新叠层 装入来自于室A 空闲的叠层3 预清洗叠层 沉积DLC 清洗处理室4 装入新叠层 取出叠层 装入来自于A的叠层5 预清洗叠层 清洗处理室沉积DLC6 装入新叠层 装入来自于A的 取出叠层叠层7 预清洗叠层 沉积DLC 清洗处理室8 装入新叠层 取出叠层 装入来自于A的叠层9 转至时间工序5转至时间工序5 转至时间工序5
上述工艺流程的示范性工艺条件包括如下1)预清洗叠层RF感应功率300WRF偏压-300V时间 30-60秒气体 氩压力 5×10-3乇流量 50标准立方厘米/分钟(sccm)2)沉积DLC根据本发明进行。
3)清洗处理室RF感应功率1000WRF偏压-200V时间 约2倍于DLC沉积时间气体 氧压力 5×10-3乇流量 100sccm如上所述，虽然采用感应耦合的等离子体增强化学气相沉积来说明本发明，但是能够产生高密度等离子体的其它方法也可以使用。这些其它的方法包括微波等离子体发生方法，电子回旋共振等离子发生方法，以及其它的RF高密度等离子体发生方法，如螺旋波源和螺施共振器等离子发生方法。
上面的介绍并不是要对本发明加以限制。其它的实施方案也是可能的。因此，本发明的范围应由附后的权利要求以及与其法律上等效内容决定，而不是由上面介绍和展示的实施方案来决定。
权利要求
1.在基体上形成类金刚石碳膜的方法，其包括的步骤为将所述基体暴露在一种烃类气体环境中；以及在所述环境中，在高的离子通量和可控的、低能量的离子轰击条件下，产生电子密度大于约5×1010/cm3以及覆层厚度小于约2mm的等离子体。
2.根据权利要求1的方法，其中所述的环境包含一种选自于C4H10，CH4，C2H2，C6H6，C2H6和C3H8中的气体。
3.根据权利要求1的方法，其中所述的基体是一金属表面。
4.根据权利要求1的方法，其中所述的基体是一种具有一表面层的金属物质，所述表面层包含一种选自于硅、碳化硅、钒、钽、镍、铌、钼以及它们的合金中的材料。
5.根据权利要求1的方法，其中所述的等离子体通过感应耦合产生。
6.根据权利要求5的方法，其中所述的感应耦合包含的离子电流大于约2mA/cm2，偏压为约-100～-1000V。
7.根据权利要求6的方法，其中所述的感应耦合包含的离子电流大于约3mA/cm2，偏压为约-200～-500V。
8.根据权利要求7的方法，其中所述的覆层厚度小于约1.7mm。
9.根据权利要求6的方法，其中所述的偏压是脉冲式的。
10.在基体上等离子增强化学气相沉积类金刚石碳膜的方法，其包含的步骤为将所述基体暴露在一种烃类环境中；以及在所述环境中，通过感应耦合产生一种等离子体，所述感应耦合包括离子电流大于约2mA/cm2，偏压为约-100～-1000V。
11.根据权利要求10的方法，其中所述的环境包含一种选自于C4H10，CH4，C2H2，C6H6，C2H6和C3H8中的气体。
12.根据权利要求10的方法，其中所述的基体是一金属表面。
13.根据权利要求10的方法，其中所述的基体是一种具有一个表面层的金属材料，所述表面层包含一种选自于硅、碳化硅、钒、钽、镍、铌、钼以及它们的合金中的材料。
14.根据权利要求10的方法，其中所述的感应耦合包含的离子电流大于约3mA/cm2，偏压为约-200～-500V。
15.根据权利要求14的方法，其中所述的等离子体具有小于约1.7mm的覆层厚度。
16.根据权利要求10的方法，其中所述的偏压是脉冲式的。
17.一种制成品，其包含具有一个表面的基体；以及在所述表面上的类金刚石碳膜，其中所述的膜的硬度高于约20GPa，而且，在采用场发射扫描电子显微镜，在50,000X的放大倍数下观察时，所述膜中没有可辨认的直径等于或大于300的晶粒。
18.根据权利要求17的产品，其中所述的类金刚石碳膜是a-CH膜。
19.根据权利要求17的产品，其中所述的基体是一种具有一个表面层的金属物质，所述表面层包括一种选自于硅、碳化硅、钒、钽、镍、铌、钼以及它们的合金中的材料。
20.根据权利要求17的产品，其中所述的表面是有角度的。
21.根据权利要求17的产品，其中所述的产品是剃刀刀片。
22.根据权利要求21的产品，其中所述的表面是剃刀刀片的刃口。
23.根据权利要求17的产品，其中所述的产品是书写仪器的部件。
24.根据权利要求23的产品，其中所述的产品是笔尖。
25.根据权利要求23的产品，其中所述的产品是笔的球座。
26.根据权利要求17的产品，其中所述的产品是针尖。
27.根据权利要求17的产品，其中所述的产品是切削刃口。
28.根据权利要求27的产品，其中所述的切削刃口是在切削刀头上。
全文摘要
本发明涉及在基体(22)上形成类金刚石碳膜的方法,包括的步骤为:将所述基体暴露在一种烃类气体环境中,并且,在所述环境中,在高离子通量和可控的、低离子能量轰击的条件下,产生电子密度大于约5×10
文档编号C23C16/26GK1260843SQ9880629
公开日2000年7月19日 申请日期1998年6月11日 优先权日1997年6月18日
发明者J·A·霍普伍德, D·L·帕帕斯 申请人:东北大学