專利名稱：薄膜沉積法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在諸如塑料襯底的表面上形成碳薄膜的薄膜沉積法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，在如折射率和電導(dǎo)率的各種物理性能上表現(xiàn)優(yōu)異的功能薄膜作為各種器件的元件而受到關(guān)注。功能薄膜的一個例子是具有導(dǎo)電特性的碳薄膜，其導(dǎo)電特性通過離子注入法注入氮離子而得以提高。碳薄膜具有的一個優(yōu)點(diǎn)在于易于形成，這是因?yàn)榭梢杂矛F(xiàn)有的離子注入程序形成碳薄膜，但它的不利之處在于因?yàn)樘急∧づc氮離子的反應(yīng)而難以控制碳薄膜的物理特性以提供所需的性能。
近年來，相應(yīng)于各種器件的進(jìn)展，要求功能薄膜具有更多的物理特性和高的質(zhì)量。但是，在常規(guī)的利用現(xiàn)有離子注入形成碳薄膜的方法中，由于控制物理特性的上述不利因素而難以確保更多的物理特性和提高碳薄膜的質(zhì)量，這是成為了問題。
鑒于上述問題產(chǎn)生了本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的在于提供一種能夠在諸如塑料襯底的表面上形成具有優(yōu)異的各項(xiàng)物理性能的、高質(zhì)量的功能薄膜的薄膜沉積法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的薄膜沉積法是一種在處理目標(biāo)(processing object)的表面上形成碳薄膜的方法，包括第一步，產(chǎn)生第一碳離子，并在不對處理目標(biāo)施加電壓的情況下在處理目標(biāo)的表面上以第一碳離子形成碳母膜(carbonprecursor film)；以及第二步，產(chǎn)生第二碳離子，并利用施加到處理目標(biāo)上的包含負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓將第二碳離子注入到碳母膜內(nèi)，其中，通過利用電弧放電的能量蒸發(fā)含碳的陰極而產(chǎn)生第一碳離子和第二碳離子兩者。
根據(jù)本發(fā)明的薄膜沉積法，首先，在第一步中，在不對處理目標(biāo)施加電壓的情況下，利用第一碳離子在處理目標(biāo)的表面上形成碳母膜。然后，在第二步中，在包含負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓施加到處理目標(biāo)上的情況下，將第二碳離子注入到碳母膜中。第一碳離子和第二碳離子兩者均通過利用電弧放電的能量蒸發(fā)含碳的陰極而產(chǎn)生。由此在處理目標(biāo)的表面上形成具有如折射率、電導(dǎo)率和硬度的各項(xiàng)物理性能的高質(zhì)量碳薄膜。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的用在薄膜沉積法中的薄膜沉積裝置的結(jié)構(gòu)示圖；圖2是用于闡述本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜沉積法中凈化步驟的示圖；圖3是解釋第一薄膜沉積步驟的示圖；圖4是解釋第二薄膜沉積步驟的示圖；圖5是解釋離子注入步驟的示圖；圖6A和6B是顯示離子注入步驟中脈沖電壓波形和電流變化的示圖；圖7是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜沉積法形成的碳薄膜的紅外光譜特性的示圖；圖8是顯示圖7所示紅外光譜特性的放大主體部分?jǐn)?shù)據(jù)的示圖；圖9是顯示圖7所示紅外光譜特性的放大主體部分?jǐn)?shù)據(jù)的示圖；圖10是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜沉積法形成的碳薄膜的電阻特性的示圖；圖11是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜沉積法形成的碳薄膜的可見光譜特性的示圖；圖12是顯示作為圖11所示碳薄膜的可見光譜特性的比較例的碳薄膜可見光譜特性的示圖；圖13是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜沉積法形成的碳薄膜的硬度特性的示圖；圖14是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜沉積法形成的碳薄膜的擦刮特性的示圖；圖15是顯示本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜沉積法形成的碳薄膜的另一擦刮特性的示圖；
圖16是顯示本發(fā)明第二實(shí)施例的薄膜沉積法制作的光學(xué)器件的構(gòu)造示例的示圖；以及圖17是顯示本發(fā)明第二實(shí)施例的薄膜沉積法制作的導(dǎo)熱器件的示例的示圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
首先，解釋根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜沉積法。圖1顯示了用于本實(shí)施例的薄膜沉積法的薄膜沉積裝置的結(jié)構(gòu)示例。薄膜沉積設(shè)備在塑料襯底的表面上形成一個碳薄膜，該薄膜是一個在如折射率、電導(dǎo)率和硬度的各種物理特性方面表現(xiàn)優(yōu)異的功能薄膜。
<1.薄膜沉積設(shè)備的結(jié)構(gòu)>
薄膜沉積設(shè)備10包括由金屬等制成的真空腔1；設(shè)置在真空腔1壁表面上的多個處理源(例如三個)2、3和4，一個經(jīng)排氣管1K連結(jié)到真空腔1的真空泵5；多個分別對應(yīng)處理源2-4設(shè)置的、且其一端延伸到真空腔1的內(nèi)部的引導(dǎo)端(lead terminal)6(6A，6B，6C)；以及一個偏壓電源7，其經(jīng)導(dǎo)線S連結(jié)到引導(dǎo)端6上并把偏壓施加到引導(dǎo)端6上。各引導(dǎo)端6A-6C的一端分別連結(jié)到多個(如三個)襯底支架8(8A，8B，8C)上，且作為待處理目標(biāo)(處理目標(biāo))的襯底K安置在襯底支架8上。襯底K任何時候都可以通過移動臂(未示出)在襯底支架8A-8C中移動。此處，圖1表示襯底K安置在襯底支架8A上的情形。
處理源2例如由Kaufman離子源組成，并且主要執(zhí)行對襯底K表面的凈化(以下稱作“凈化過程”)。處理源2使用可以產(chǎn)生凈化過程所需的離子(凈化離子)的氣體(凈化氣體)，以在真空腔1中產(chǎn)生包含凈化離子的等離子體。凈化氣體可以包括惰性氣體，如氬氣(Ar)。
處理源3例如由DC(直流電)濺射源組成，并且主要在襯底K等的表面上形成粘附膜，該膜把由處理源4形成的碳薄膜粘結(jié)到襯底K上。
處理源4例如由FCVA(濾過陰極真空弧(Filtered Cathodic VacuumArc))離子源組成，并且主要執(zhí)行在襯底K的表面上形成薄膜的薄膜沉積過程和在薄膜中注入離子的離子注入過程兩者。根據(jù)用偏壓源7向襯底K施加偏壓的條件確定執(zhí)行處理源4的哪個處理過程(薄膜沉積過程或離子注入過程)。下面描述處理源4的過程與施加偏壓的條件之間的相互關(guān)系。
FCVA離子源是一個廣泛地使用的陰極電弧源，其具有除去陰極熔化產(chǎn)生的液滴的電磁過濾器。處理源4有一個由高密度碳棒組成的陰極作為離子源，并且利用通過觸發(fā)器觸發(fā)電極產(chǎn)生的電弧放電的能量蒸發(fā)陰極，以在真空腔1中產(chǎn)生碳離子。處理源4產(chǎn)生的碳離子用作“薄膜沉積離子(第一碳離子)”，以在薄膜沉積過程中形成薄膜，并且用作“注入離子(第二碳離子)”，以在離子注入過程中提高薄膜的質(zhì)量。這些碳離子通過安置在處理源4中的兩個導(dǎo)管線圈(duct coil)引導(dǎo)到襯底K上，以進(jìn)行薄膜沉積過程或離子注入過程。處理源4可以產(chǎn)生維持高真空態(tài)的碳離子，因?yàn)榕c需要產(chǎn)生凈化離子的凈化氣體的處理源2(Kaufman離子源)不同，其不需要用于產(chǎn)生離子的氣體。
真空泵5有一個包括渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)，且主要經(jīng)排氣管1K排出填充在真空腔1中的氣體(例如空氣等)，以把真空腔1降壓到所需真空態(tài)。
導(dǎo)引端6(6A-6C)例如由廣泛使用的導(dǎo)引端(lead terminal)組成，并且根據(jù)處理源2-4的處理?xiàng)l件等，其中的每一個均可在圖中箭頭Y1所示的方向上移動。這些導(dǎo)引端6例如包括一個用于制冷劑循環(huán)的管6H，并且經(jīng)管6H循環(huán)制冷劑W可以冷卻安置在襯底支架8上的襯底K。另外，導(dǎo)引端6由導(dǎo)體材料如金屬制成，且由位于真空腔1中的支撐元件1B支撐。這些支撐元件1B由絕緣材料如陶瓷制成，并且真空腔1和導(dǎo)引端6經(jīng)支撐元件1B電隔離。
偏壓源7有一種例如包括高壓真空管電路的結(jié)構(gòu)，并且把脈沖電壓施加到安置在襯底支架8上的襯底K上。具體地說，偏壓源7在薄膜沉積過程中不給襯底K施加電壓，而在離子注入過程中給襯底K施加包含負(fù)脈沖電壓(-15kV或更小)和正脈沖電壓的脈沖電壓。另外，對于每個導(dǎo)引端6A-6C可以獨(dú)立地調(diào)節(jié)脈沖電壓的狀態(tài)，如脈沖峰值(脈沖高度)、脈沖上升時間、脈沖間隔和脈沖寬度。
襯底支架8(8A-8C)固著襯底K，并且如導(dǎo)引端6那樣由導(dǎo)體材料如金屬制成。襯底K例如為圓盤形或矩形結(jié)構(gòu)。襯底K的材料例如包括塑料，該塑料例如為非晶聚烯烴(APO)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚對苯二甲酸二乙醇酯(PET)、丙烯睛-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚醛樹脂(POM)、聚四氟乙烯(PTFE)、尼龍6、聚乙烯和聚酰亞胺。另外，如上述塑料一樣，由絕緣材料如硅、玻璃或AlTiC(Al2O3·TiC)制成的材料也可以用作襯底K。
除了上述一組部件外，薄膜沉積設(shè)備10例如還包括一個微型計(jì)算機(jī)，用于控制整個薄膜沉積設(shè)備10；一個氣缸，用于把各種氣體供給至處理源2等；以及一個用于移動導(dǎo)引端6的驅(qū)動裝置，該驅(qū)動裝置連結(jié)到導(dǎo)引端6的自真空腔1延伸到其外部的另一端上。
<2.薄膜沉積法>
接下來，參見圖1至6B描述本發(fā)明實(shí)施例的薄膜沉積法的示例。以下描述在塑料制成的襯底K表面上形成碳薄膜的情形，該碳薄膜作為功能薄膜具有各種良好的物理特性，如折射率、電導(dǎo)率和硬度等。
根據(jù)薄膜沉積法的實(shí)施例，利用圖1所示的薄膜沉積裝置10，通過凈化步驟、第一薄膜沉積步驟、第二薄膜沉積步驟和離子注入步驟作為主要步驟適當(dāng)?shù)匦纬商急∧?。圖2到5闡述了根據(jù)本實(shí)施例的薄膜沉積法，圖2、3、4和5分別表示凈化步驟、第一薄膜沉積步驟、第二薄膜沉積步驟和離子注入步驟。圖6A和6B分別表示通過偏壓源7施加到襯底K的脈沖電壓的波形(圖6A)和離子注入步驟中電流的變化(圖6B)。另外，圖2至5不僅表示襯底K等的截面結(jié)構(gòu)，而且還表示了薄膜沉積設(shè)備10的主要部分(襯底K的周邊部分)的主要結(jié)構(gòu)，以簡單地解釋一系列步驟。
為了在塑料制成的襯底K的表面上形成碳薄膜，由工人執(zhí)行下面的預(yù)備工作。即，首先凈化由APO、PMMA、PC等制成的襯底K(大約1mm厚)，然后把襯底K安置到襯底支架8A上(參見圖2)。然后，確認(rèn)真空腔1密閉，并且通過輸入單元如鍵盤輸入一組處理?xiàng)l件(如處理源2-4、真空泵5、導(dǎo)引端6、偏壓源7等的操作狀態(tài))。最后，在操縱真空泵5以將真空腔1減壓到所需的真空態(tài)(例如大約1.7×10-4Pa)的同時，操作偏壓源7，以將脈沖電壓施加到襯底支架8上。而且，通過管6H循環(huán)制冷劑W，并且冷卻由支撐支架8C支撐的襯底K。
《2-1.凈化步驟》完成預(yù)備工作之后，首先通過處理源2(Kaufman離子源)利用惰性氣體如氬氣作為凈化氣體對襯底K執(zhí)行凈化操作，如圖2所示。為了執(zhí)行凈化過程，例如離子束的加速電壓約為100V，處理時間約為1分鐘，這些作為處理?xiàng)l件。這在真空腔1中產(chǎn)生包含能量約為100eV的氬離子(凈化離子)的等離子體，并且將襯底K暴露在等離子體中的氬離子N1下，從而凈化襯底K的表面。
《2-2.第一薄膜沉積步驟(形成粘附膜的步驟)》然后，如圖3所示，通過移動臂把襯底K移到襯底支架8B上，然后通過處理源3(DC濺射源)在襯底K的表面上形成由非晶硅制成的厚度約為5.0nm的粘附膜21。
《2-3.第二薄膜沉積步驟(形成碳母膜的步驟)》然后，如圖4所示，通過移動臂把襯底K等移到襯底支架8C上，然后在例如工作電壓約為25V、沒有從偏壓源7向襯底K施加電壓的條件下，通過處理源4(FCVA離子源)對襯底K的表面執(zhí)行薄膜沉積過程。在真空腔1中連續(xù)產(chǎn)生高密度的能量約為25eV、離子電流約為0.7A的碳離子(薄膜沉積離子，第一碳離子)N2A，然后在磁場中選擇性過濾這些第一碳離子N2A，并將它們導(dǎo)向襯底K。由此在粘附膜21上形成由ta-C(四面體非晶碳)制成的碳母膜22Z。碳母膜22Z是一種碳薄膜22的預(yù)備膜(參見圖5)，該薄膜通過如下所述的后期過程中的離子注入過程制備。
《2-4.離子注入步驟(形成碳薄膜的步驟)》然后，如圖5所示，通過處理源4(FCVA離子源)在碳母膜22Z上執(zhí)行離子注入過程。為了執(zhí)行離子注入過程，偏壓源7例如在下列條件下向襯底K施加包含正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓，該條件為負(fù)脈沖峰值V1＝約-20kV，正脈沖峰值V2＝約+10kV，正/負(fù)脈沖寬度B＝約60μs，且周期T＝約1ms(參見圖6A)。而且，當(dāng)處理源4的離子電流約為0.8A(圖6B)時，利用注入的離子以大約1017ions/cm2的量，在由離子電流和偏壓電極中的二次電子產(chǎn)生的電流峰值設(shè)置成大約0.7A的電流條件下執(zhí)行離子注入過程。在真空腔1中產(chǎn)生包含碳離子(注入的離子、第二碳離子)的等離子體N2B，這些碳離子N2B注入到碳母膜22Z中。這樣提高了由ta-C制成的碳母膜22Z的質(zhì)量，以在粘附膜21上形成碳薄膜22。另外，一般把利用施加到上述襯底K的脈沖電壓將碳離子N2B注入到碳母膜22Z內(nèi)的處理稱作PBII(基于離子注入的等離子體)。
《2-5.重復(fù)每個步驟》最后，將如上所述的一些步驟重復(fù)兩次或更多次，例如包括“第二薄膜沉積過程”和“離子注入過程”，從而層疊碳薄膜22并最終獲得厚度約為50nm的碳薄膜22。由此在塑料制成的襯底K上形成其間具有粘附膜21的碳薄膜22，該碳薄膜具有良好的各項(xiàng)物理特性，如折射率、電導(dǎo)率、硬度等。
《3.碳薄膜的物理特性》接下來參見圖7至15，依次描述根據(jù)本實(shí)施例的薄膜沉積法形成的碳薄膜22的物理特性。
《3-1.紅外光譜特性》圖7表示碳薄膜22等的紅外光譜特性，圖中的“水平軸”和“垂直軸”分別代表波數(shù)(cm-1)和透射率。利用本實(shí)施例的薄膜沉積法，形成了下列樣品，通過紅外光譜儀測量每個樣品的透射特性，并且獲得示于圖7中的結(jié)果，該些樣品為碳薄膜樣品A1(碳薄膜22)，其利用離子注入過程中向襯底K施加的具有負(fù)脈沖峰值V1＝-20kV的脈沖電壓形成；碳薄膜樣品A2，利用V1＝-10kV形成；作為一個比較例的碳薄膜樣品A3(碳母膜22Z)，其通過與本實(shí)施例幾乎相同的薄膜沉積法形成，不同之處在于取消了離子注入過程；以及作為另一個比較例的碳薄膜樣品A4，其通過現(xiàn)有的等離子體CVD(化學(xué)氣相沉積)法形成。當(dāng)形成碳薄膜樣品A1-A4時，把由硅制成的材料用作襯底K。另外，圖8和9是圖7所示碳薄膜樣品A1和A4的紅外光譜特性數(shù)據(jù)(波數(shù)＝700cm-1～1200cm-1)的主要部分的放大圖。
如圖7和8所示，碳薄膜樣品A1(碳薄膜22)在約900cm-1～1000cm-1處具有一個平坦區(qū)域。另一方面，作為比較例的碳薄膜樣品A4，如圖7和9所示，沒有平坦區(qū)域，且碳薄膜樣品A3(碳母膜22Z)也表現(xiàn)出同樣的趨勢。這證明，通過借助利用PBII的離子注入過程(負(fù)脈沖電壓峰值V1＝-20kV)改善碳母膜22Z的質(zhì)量，獲得了碳薄膜22。另外，碳薄膜樣品A2(負(fù)脈沖峰值V1＝-10kV)沒有顯示出平坦區(qū)域，但對負(fù)脈沖峰值V1的研究表明，在V1約為15kV時開始出現(xiàn)平坦區(qū)域。對于碳母膜22Z的質(zhì)量為何在約15kV或更小的負(fù)脈沖峰值V1下得以提高的原因，認(rèn)為上述脈沖峰值等于碳母膜22Z中斷裂SP3鍵的閾值。
《3-2.電阻特性》圖10表示碳薄膜22的電阻特性，圖中的“水平軸”和“垂直軸”分別代表離子注入過程中施加到襯底K上的脈沖電壓的負(fù)脈沖峰值V1(kV)和片電阻(sheet resistance)(Ω/□)。利用本實(shí)施例的薄膜沉積法形成了下列樣品，用四端子歐姆儀測量每個樣品的片電阻，并獲得圖10所示的結(jié)果，這些樣品為碳薄膜樣品B1(碳薄膜22；V1約為-18kV至-8kV)，其利用硅制成的襯底K(約5Ωcm)形成；碳薄膜樣品B2(V1為約-16kV至-1kV)，其利用AlTiC(Al2O3·TiC)制成的襯底K(約23mΩ/□)形成；碳薄膜樣品B3(V1約為-10kV)，其利用玻璃(如Dow Corning制造的Coarning7059(商標(biāo)名))制成的襯底K形成；作為比較例的碳薄膜樣品B4(碳母膜22Z)，其通過幾乎與本實(shí)施例相同的薄膜沉積法形成，不同之處在于取消了離子注入過程；作為另一個比較例的碳薄膜樣品B5，其通過幾乎與本實(shí)施例相同的薄膜沉積法形成，不同之處在于在大氣壓環(huán)境中執(zhí)行薄膜沉積過程，并取消了離子注入過程；以及作為另一個比較例的碳薄膜樣品B6，其利用由硅制成的襯底K和現(xiàn)有的等離子體CVD(化學(xué)氣相沉積)法形成。另外，圖10中的“○”、“□”和“×”表示碳薄膜樣品B1-B4的形成厚度，且“○”、“□”和“×”分別代表約40nm-50nm、約90nm-100nm、以及約400nm。B1N代表形成厚度約為40nm-50nm的碳薄膜樣品B1的電阻變化，B1K代表形成厚度為90nm-100nm的碳薄膜樣品B的電阻變化。
如圖10所示，碳薄膜樣品B4(碳母膜22Z)的片電阻比較高，約為104Ω/□。此外，通過現(xiàn)有的等離子體CVD形成的碳薄膜樣品B6的片電阻約為105Ω/□或更大。另一方面，碳薄膜樣品B1(碳薄膜22)在負(fù)脈沖峰值電壓V1約為-10kV左右提供了幾乎與碳薄膜樣品B4(碳母膜22Z)相同的片電阻(約104Ω/□)，但是當(dāng)V1約為-15kV或更小時，片電阻急劇下降到約103Ω/□。當(dāng)在40nm～400nm的范圍內(nèi)改變碳薄膜樣品B1(碳薄膜22)的形成厚度時，片電阻的下降趨勢類似。這驗(yàn)證除通過使用PBII的離子注入過程獲得的碳薄膜22具有顯著小于碳母膜22Z的片電阻，并具有優(yōu)良的電導(dǎo)率。而且，碳薄膜樣品B2中的片電阻變化范圍變得小于碳薄膜樣品B1中片電阻的變化范圍，這證明包括碳薄膜22和襯底K的整個樣品結(jié)構(gòu)的片電阻依賴于襯底K本身的電阻大小。
《3-3.可見光譜特性》圖11和12示出了碳薄膜22等的可見光譜特性。圖11和12分別顯示了通過本實(shí)施例的薄膜沉積法形成的碳薄膜樣品C1(碳薄膜22)的光譜特性、以及通過與本實(shí)施例幾乎相同但取消了離子注入過程的的薄膜沉積法形成的作為比較例的碳薄膜樣品C2(碳母膜22Z)的光譜特性。圖中的“水平軸”和“垂直軸”分別代表波長(nm)、以及透射率和反射率(％)。為了形成碳薄膜樣品C1，把第二薄膜沉積過程的薄膜沉積時間設(shè)置為約5分鐘，碳母膜22z的形成厚度設(shè)置為約為20nm-25nm，離子注入過程的注入時間設(shè)置為約1.6分鐘。此外，為了形成碳薄膜C2，例如把碳母膜22Z的厚度設(shè)置為約為36nm。用分光光度計(jì)測量碳薄膜樣品C1和C2兩者的光譜特性，獲得了圖11和12所示的結(jié)果。另外，圖11中的“C1T”和“C1H”分別代表碳薄膜樣品C1的透射特性和反射特性，圖12中的“C2T”和“C2H”分別代表碳薄膜樣品C2的透射特性和反射特性。
如圖11和12所示，雖然碳薄膜樣品C1(C1H碳薄膜22)和碳薄膜樣品C2(C2H碳母膜22Z)的反射率幾乎相等，但碳薄膜樣品C1(C1T)的透射率下降得比碳薄膜樣品C2(C2T)更顯著。根據(jù)這些結(jié)果計(jì)算碳薄膜樣品C1和C2的吸收系數(shù)k，碳薄膜樣品C2的系數(shù)k約為0.136，而碳薄膜樣品C1的系數(shù)k更大，為0.3。這證明利用PBII通過離子注入過程減少SP3鍵成分，同時增多SP2鍵成分，這減弱了碳薄膜22的薄膜質(zhì)量并改變了碳薄膜22的折射率。
<3-4.硬度特性>
圖13顯示碳薄膜22的硬度特性，圖中的“水平軸”和“垂直軸”分別代表位移(nm)和載荷(μN(yùn))。分別對根據(jù)本實(shí)施例的薄膜沉積法形成的碳薄膜樣品D1(碳薄膜22)和通過幾乎與本實(shí)施例相同、但取消了離子注入過程的薄膜沉積法形成的作為比較例的碳薄膜樣品D2(碳母膜22Z)進(jìn)行納米壓痕測試，獲得圖13所示的結(jié)果。碳薄膜樣品D1和D2兩者形成的厚度約為100nm。
如圖13所示，碳薄膜樣品D1(碳薄膜22)的位移-載荷關(guān)系大于碳薄膜樣品D2(碳母膜22Z)的。這證明碳薄膜22的楊氏模量比碳母膜22減小得更多，因?yàn)橥ㄟ^利用PBII的離子注入過程增多了SP2鍵成分。
《3-5.擦刮特性》圖14表示碳薄膜22的擦刮特性，圖中“水平軸”和“垂直軸”分別代表載荷(×10-2g)和阻力(gf)。對根據(jù)本實(shí)施例的薄膜沉積法形成的碳薄膜樣品E1(碳薄膜22)、通過幾乎與本實(shí)施例相同但取消了離子注入過程的薄膜沉積法形成的作為比較例的碳薄膜樣品E2(碳母膜22Z)、以及通過幾乎與本實(shí)施例的相同但取消了離子注入過程和第一薄膜沉積過程(粘附膜21的形成)的薄膜沉積法形成的作為另一比較例的碳薄膜樣品E3進(jìn)行擦刮測試，獲得圖14所示的結(jié)果。另外，為了形成碳薄膜樣品E1-E3，把硅制成的材料用作襯底K。
如圖14所示，用于從襯底K上剝?nèi)ヌ急∧悠稥1(碳薄膜22)、E2(碳母膜22Z)和E3的載荷分別為約80g、約63g和約47g。因此，用于剝?nèi)ヌ急∧悠稥2和E3的載荷之差證明，碳薄膜22與襯底K的粘結(jié)力因?yàn)檎掣侥?1的存在而增大，并且用于剝?nèi)ヌ急∧悠稥1和E2的載荷之差表明，碳薄膜22的粘結(jié)力由于使用PBII的離子注入過程而進(jìn)一步增大。
另外，當(dāng)用AlTiC代替硅制成襯底K時，類似地也有上述碳薄膜22的粘結(jié)性的提高。圖15表示碳薄膜22的另一擦刮特性。圖中所示的形成過程和相似的碳薄膜樣品F1、F2和F3分別與圖14所示的碳薄膜樣品E1、E2和E3的相同，除了用AlTiC制成的襯底K這一點(diǎn)以外。
如圖15所示，用于從襯底K上剝?nèi)ヌ急∧悠稦1、F2和F3的載荷分別是約336g、約127g和約91g。這證明，與使用硅制成襯底K的情形相比，使用AlTiC制成的襯底K進(jìn)一步增大了碳薄膜22與襯底K的粘結(jié)力。
<4.作用和效果>
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的薄膜沉積法中，在不對襯底K施加電壓、使用處理源4(FCVA離子源)以碳離子N2A在襯底K的表面上形成碳母膜22Z之后，通過向襯底K施加包含負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓將碳離子N2B注入碳母膜22Z而形成碳薄膜22。因此，碳母膜22Z的質(zhì)量得以提高，這使得能夠控制碳薄膜22的各項(xiàng)物理特性，如電阻特性、硬度特性、擦刮特性等。這樣能夠形成具有高質(zhì)量和各項(xiàng)良好物理特性的碳薄膜22。
具體地說，在根據(jù)本實(shí)施例的離子注入過程中，對襯底K施加包含-15kV或更低的負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓，使得易于把碳離子N2B引入碳母膜22Z中，這樣可以確保對碳母膜22Z執(zhí)行離子注入過程。因此，可以恰當(dāng)?shù)乜刂铺急∧?2的各項(xiàng)物理特性。
而且在本實(shí)施例中，通過處理源4(FCVA離子源)形成碳薄膜22，使得基于下列原因可以在塑料制成的襯底K的表面上穩(wěn)定地形成碳薄膜22。即例如，如果用現(xiàn)有的半導(dǎo)體過程形成碳薄膜22，則處理溫度較高(大于約400℃)。因此，襯底K的材料限于能耐受此高溫條件的材料，如具有約400℃或更高的高熔點(diǎn)的金屬。在此情況下，如果把具有約100℃或更低的較低熔點(diǎn)(或軟化點(diǎn))的塑料用作襯底K的材料，則襯底K會由于高溫而變形或損壞。因此，常規(guī)的半導(dǎo)體過程不能用作在塑料制成的襯底K的表面形成碳薄膜22的形成過程。另一方面，在此實(shí)施例中，在較低的處理溫度(約100℃或更低)下通過處理源4形成碳薄膜22，使得襯底K不暴露在高于塑料熔點(diǎn)的溫度環(huán)境下，這與使用半導(dǎo)體過程的情形不同，并且襯底K本身的溫度也維持在大約100℃或更低。因此，選擇襯底K的材料不受處理溫度的影響，并且甚至在用塑料作為襯底K的組成材料時，也可以在襯底K的表面上形成碳薄膜22，而不會發(fā)生如變形和損壞的問題。
而且在本實(shí)施例中，在襯底K和碳薄膜22之間形成了粘附膜21，因此粘附膜21的存在增大了碳薄膜22對襯底K的粘結(jié)力，且從圖14和15所示的擦刮特性的結(jié)果明顯看出，可形成具有良好物理強(qiáng)度的碳薄膜22。
<改型>
另外，本實(shí)施例中用絕緣材料如塑料組成襯底K，但不必限于此，可采用導(dǎo)電材料制成的材料，如金屬或半導(dǎo)體。在此情形中，還可以在較低的處理環(huán)境(約為100℃或更低)中形成碳薄膜22。另外，當(dāng)使用導(dǎo)電材料制成的襯底K時，可以通過脈沖電源7對襯底K只施加負(fù)脈沖電壓。
接下來，對根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的薄膜沉積法進(jìn)行描述。
根據(jù)本實(shí)施例的薄膜沉積法將把在上述第一實(shí)施例中形成的碳薄膜22用于各種器件。下面將參考圖16和17描述根據(jù)本實(shí)施例的薄膜沉積法用碳薄膜22組成各種器件的例子。另外，下面省去對碳薄膜22等的形成過程的描述。在圖16和17中，與上述第一實(shí)施例中所述組件相同的部件用相同的附圖標(biāo)記表示。
圖16表示利用碳薄膜22作為光學(xué)器件的一個組件的例子。光學(xué)器件30是一個光學(xué)多層膜，該膜包括通過上述第一實(shí)施例中所述的薄膜沉積法利用其間的粘附膜21形成在襯底K上的碳薄膜22，設(shè)置在碳薄膜22上并由二氧化硅(SiO2)等制成的光學(xué)薄膜A31，以及設(shè)置在光學(xué)薄膜A31上并由二氧化鋯(ZrO2)制成的光學(xué)薄膜B32。另外，如前述第一實(shí)施例所述，可以把由塑料、硅或玻璃等制成的材料用作襯底K。例如在光學(xué)器件30中，可以通過控制碳薄膜22的折射率和吸收系數(shù)來控制其物理特性，使得光學(xué)器件30(即包括碳薄膜22、光學(xué)薄膜A3 1和光學(xué)薄膜B32的光學(xué)多層膜)可以具有所需的光學(xué)特性(例如折射率n＝2.5，吸收系數(shù)k＝0.2)。
圖17表示基于碳薄膜22的吸熱特性，將碳薄膜22作為導(dǎo)熱器件的實(shí)例。選擇性地設(shè)置導(dǎo)熱器件以覆蓋除設(shè)置區(qū)以外的表面，在該區(qū)域中在印刷電路板41的兩側(cè)上設(shè)置各種元件42如晶體管和聚光器，并且將其厚度設(shè)置在40nm和10μm之間。例如，由元件42產(chǎn)生的熱量被碳薄膜22直接吸收，或通過印刷電路板41被碳薄膜22吸收，并且抑制了元件42由于發(fā)熱而導(dǎo)致的溫度升高。即，碳薄膜22用作導(dǎo)熱器件。
通過本實(shí)施例的薄膜沉積法利用碳薄膜22組成的各種器件包括按上述第一實(shí)施例形成的作為其一個組件的碳薄膜22，因此，與上述第一實(shí)施例相同的作用可以提供各項(xiàng)物理特性優(yōu)良的高質(zhì)量器件。
<改型>
在本實(shí)施例中描述了碳薄膜22用于光學(xué)器件和導(dǎo)熱器件的情形，但不限于此，它也可以用于其它各種器件。例如，作為“其它各種器件”中的一個例子，碳薄膜22基于碳薄膜22的傳播吸收特性用作EMC(電磁兼容)器件，并且EMC器件可以安置在蜂窩電話的外殼中。EMC器件的存在防止了不必要的電磁波到達(dá)蜂窩電話的中心區(qū)域(例如CPU等)，這可以抑制有些問題的發(fā)生，如電磁波影響導(dǎo)致的故障、失誤等。如蜂窩電話那樣，此EMC器件也可以應(yīng)用到各種電子器件中以防止以上故障、失誤等的發(fā)生。
除本實(shí)施例的上述那些以外的其它作用、效果、改型等與上述第一實(shí)施例的相同。
雖然通過前述實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，而可有各種改型。例如以上第一實(shí)施例中所述的薄膜沉積法不必局限于上面的兩個實(shí)施例中所述的方法，其可以隨心所欲地變化，只要在用FCVA離子源在不對襯底K施加電壓的情況下在襯底K表面以碳離子N2A形成碳母膜22Z之后，可以通過以對襯底K施加的包含-15kV或更低的負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓把碳離子N2B注入到碳母膜22Z中來形成碳薄膜22即可。
而且，上述第二實(shí)施例描述了把以上第一實(shí)施例中所述的碳薄膜22用于各種器件的情形，但本發(fā)明不限于此，且碳薄膜22也可以有其它的應(yīng)用，也可以用作各種器件的組件。例如，從該薄膜良好的擦刮特性方面看，碳薄膜22的其它應(yīng)用可以包括將其用作各種電子組件等的保護(hù)材料的例子。具體地說，用碳薄膜22覆蓋磁記錄頭(HDD(硬盤驅(qū)動)，視頻頭等)中頭部的表面和光記錄頭可以防止頭部在其接觸到記錄介質(zhì)如盤或帶時被磨損。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的薄膜沉積法，在不對處理目標(biāo)施加電壓的情況下產(chǎn)生第一碳離子，用第一碳離子在處理目標(biāo)的表面形成碳母膜，再把通過包含負(fù)脈沖電壓的、施加到處理目標(biāo)上的脈沖電壓產(chǎn)生的第二碳離子注入到碳母膜中，以形成碳薄膜，其中第一碳離子和第二碳離子兩者均通過利用電弧放電的能量蒸發(fā)含碳陰極而產(chǎn)生。這提高了碳母膜的質(zhì)量并使得能夠控制碳薄膜的各項(xiàng)物理特性。由此可以形成各項(xiàng)物理特性良好的高質(zhì)量碳薄膜。
特別地，根據(jù)本發(fā)明薄膜沉積法的一個方面，對處理目標(biāo)施加包含-15kV或以下的負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓，因此第二碳離子可以容易地被引入到碳母膜中，這使得能夠確保對碳母膜執(zhí)行離子注入過程。因此，可以恰當(dāng)?shù)乜刂铺急∧さ母黜?xiàng)物理特性。
而且，根據(jù)本發(fā)明薄膜沉積法的另一個方面，可以用塑料制成的材料作為處理目標(biāo)，因此甚至在使用具有較低熔點(diǎn)的塑料制成的處理目標(biāo)時，也可以在塑料制成的處理目標(biāo)的表面上形成碳薄膜，而不會發(fā)生諸如在膜形成期間變形和損壞的問題。
另外，根據(jù)本發(fā)明的薄膜沉積法的一個方面，對處理目標(biāo)施加包含正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓，這樣避免了在膜沉積期間處理目標(biāo)內(nèi)部電荷的剩余(充電)。因此，可以避免由于充電而導(dǎo)致的離子注入過程的停滯現(xiàn)象(plateau phenomenon)，并且可以把離子平滑且均勻地注入到處理目標(biāo)中。
另外，根據(jù)本發(fā)明薄膜沉積法的一個方面，把帶有粘附層的物體用作處理目標(biāo)，因此粘附層的存在增大了碳薄膜對處理目標(biāo)的粘結(jié)力，并且可以形成具有良好物理強(qiáng)度的碳薄膜。
鑒于上面的教導(dǎo)，顯然可以對本發(fā)明作各種改型和變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，在所附權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以不按以上具體描述的那樣來實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種薄膜沉積法，用于在處理目標(biāo)的表面上形成碳薄膜，包括第一步，產(chǎn)生第一碳離子，并在不對處理目標(biāo)施加電壓的情況下在處理目標(biāo)的表面上以第一碳離子形成碳母膜；以及第二步，產(chǎn)生第二碳離子，并利用施加到處理目標(biāo)上的包含負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓將第二碳離子注入到碳母膜內(nèi)，其中，通過利用電弧放電的能量蒸發(fā)含碳的陰極而產(chǎn)生第一碳離子和第二碳離子兩者。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積法，其中，在第二步驟中對處理目標(biāo)施加至少包含-15kV或以下的負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓。
3.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積法，其中，第一步驟和第二步驟重復(fù)二次或更多次以層疊碳薄膜。
4.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積法，其中，絕緣體用作處理目標(biāo)。
5.如權(quán)利要求4所述的薄膜沉積法，其中，塑料制成的絕緣體用作處理目標(biāo)。
6.如權(quán)利要求5所述的薄膜沉積法，其中，在第二步驟中對處理目標(biāo)施加包含正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓。
7.如權(quán)利要求1所述的薄膜沉積法，其中，在處理目標(biāo)上設(shè)置一個用于把碳母膜粘結(jié)到處理目標(biāo)上的粘附層。
8.如權(quán)利要求7所述的薄膜沉積法，其中，粘附層包括包括非晶硅。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種薄膜沉積法，它可以在諸如塑料襯底的表面形成具有良好物理特性的高質(zhì)量功能薄膜。利用處理源(4)(FCVA離子源)在不對襯底K施加電壓的情況下以碳離子(N2A)在襯底K表面形成一個碳母膜，然后通過對襯底K施加的包含－15kV或更低的負(fù)脈沖電壓的脈沖電壓把碳離子(N2B)注入到碳母膜中，以形成碳薄膜。碳母膜的質(zhì)量得以提高，并且可以控制碳薄膜的各項(xiàng)物理特性。
文檔編號C23C14/02GK1462319SQ02801350
公開日2003年12月17日 申請日期2002年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月23日
發(fā)明者外崎峰廣, 北川浩司 申請人:索尼公司