CN100341047C

CN100341047C - 薄膜形成方法和系统

Info

Publication number: CN100341047C
Application number: CNB03159543XA
Authority: CN
Inventors: 方宏新; 马洪涛; 张柏清; 陈宝华; 丘德利·所门
Original assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Current assignee: SAE Magnetics HK Ltd
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: CN1598928A

Abstract

本发明公开了一种薄膜形成方法，该方法包括如下步骤：(1)固持至少一个物体在真空室中；(2)沉积一种成膜材料在所述物体上；(3)在沉积成膜材料的同时蚀刻所述成膜材料；在本发明中，所述沉积与蚀刻过程是同时进行的。所述沉积过程是通过置备一个成膜靶材而进行的。所述蚀刻过程包括如下步骤：在所述真空室中置备具有特定压力的惰性或活性气体；离子化所述气体产生蚀刻离子束轰击所述物体。本发明同时公开了一种实现上述方法的系统。

Description

薄膜形成方法和系统

技术领域

本发明涉及一种形成薄膜层、保护层、耐摩擦层的方法和系统，尤指一种在磁性装置上形成保护层的方法和系统。

背景技术

目前，磁性装置，如磁性读/写头、磁盘，被广泛应用于数据储存工业。参考图4，典型的磁性读/写头，如磁阻(magneto-resistance，MR)磁头，通常包括基片34，屏蔽罩(shield)33，磁阻元件35，线圈32及磁轭(yoke)31.参考图6，典型的磁盘包括基片10、缓冲层(buffer layer)20及磁性层(magneticlayer)30。上述装置有一些重要的元件，如屏蔽罩33，磁阻元件35，磁轭31，及磁性层30，均由功能材料制成，而且这些功能材料大部分是金属，如Ni，Fe，Mn，Pt，Au，Co，Ti，Cu等。这些金属材料中的一些十分容易被腐蚀或损毁。因此，保护膜(被覆层)被用于阻止这些元件被腐蚀或损毁。

此外，近年来，硬碟驱动器(Hard Disk Driver，HDD)的表面记录密度/面积密度(surface recording density/areal density)不断增长。面积密度的增长需要有更高的信号强度和更低的浮动高度(flying height)；对应地，就需要有一个更薄的被覆层(overcoat)。例如，在不远的将来，对于磁性读/写头来说，为了达到一个高的面积密度(如大于120Gb每平方英寸)，一个特薄的被覆层(厚度等于或小于3nm)是十分必要的。对应地，更低的浮动高度及更高的转速需要被覆层有优良的特性，如硬度、传导性及摩擦性能。

为了形成满足上述需要的保护层(overcoat)，许多薄膜形成方法已经被应用。当前，最通常的在磁头表面形成保护层的方法是电子回旋化学气相沉积(Electron Cyclotron Resonance Chemical Vapor Deposition，ECR CVD)和直接或二次离子沉积(directly or secondary ion beam deposition(IBD))。可是，这些方法暴露出了在降低被覆层厚度上的局限性。这种状况的出现有如下原因：第一，为了逐渐增加磁通密度(magnetic flux density)，磁性装置上的一些重要元件，如读/写元件材料，磁轭及屏蔽罩变得对腐蚀越来越敏感。第二个原因是这些方法均使用碳氢化合物作为前体，所以形成的被覆层有一定的氢含量(5％～50％，atm％)，当被覆层变薄时，其上将形成许多瑕疵(例如空白(vacancy)，甚至针孔(pin hole))。这些瑕疵将会在磁性装置的制造、应用及可靠性测试过程中显现出来。

上述方法的另外一个问题是高的沉积率导致形成被覆层(例如等于或小于3nm)的时间非常短，这将使得形成在一批磁性装置上的被覆层不均一。此外，当前的镀膜机器利用一个闸门来阻挡离子束，所述闸门通常需要2秒的时间打开或关闭。在打开或关闭闸门的过程中，仍会有一些离子束轰击磁性装置表面，这也会导致形成在一批磁性装置上的被覆层不均一。

因此，为克服现有技术的缺点，提供一种在磁性装置上形成优良薄膜的方法和系统十分必要。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的主要特征在于提供一种形成薄膜的方法和系统，可以在物体上形成均一性良好的薄膜。

为了获得上述特征，本发明一种薄膜形成方法，包括如下步骤：(1)固持至少一个物体在真空室中；(2)沉积一种成膜材料在所述物体上；(3)在沉积成膜材料的同时蚀刻所述成膜材料。在本发明中，所述沉积与蚀刻过程被控制成同时进行。所述沉积过程是通过置备一个成膜靶材并发射离子束轰击该成膜靶材而进行的。所述蚀刻过程包括如下步骤：(1)在所述真空室中制备具有特定压力的惰性或活性气体；(2)离子化所述气体产生蚀刻离子束轰击所述物体。

本发明一种系统，包括：用于成膜的真空室；将物体固定在真空室中的定位装置；在所述物体上进行沉积作业的处理装置；对所述物体进行蚀刻的蚀刻装置；及控制所述处理装置和蚀刻装置离子束处理时间的控制器。在本发明中，所述控制器为一个置于所述物体前的闸门，该闸门在所述处理装置和蚀刻装置发射的离子束稳定时被打开。

作为本发明一个实施例，一种薄膜形成方法包括如下步骤：(1)固持至少一个物体在真空室中；(2)所述真空室被抽真空到设定的气压，然后惰性或活性气体被引入蚀刻源(etching source)；(3)所述惰性或活性气体被离子化并通过蚀刻源的栅极被引出(extract)而产生蚀刻离子束(etching beam)；(4)第一沉积源(deposition source)被开启而产生所需的第一沉积离子束(deposition beam)；(5)所述沉积及蚀刻源被装在物体前的基片闸门所阻挡；(6)当蚀刻离子束及沉积离子束均稳定时，所述基片闸门被打开，蚀刻离子束及沉积离子束同时轰击物体而在其上形成第一层薄膜。

在本发明中，可以通过第二沉积源轰击物体而在所述第一层薄膜之上形成第二层薄膜。

其中，所述第一沉积源可以是离子束沉积源(ion beam deposition(IBD)source)、离子束溅射沉积源(ion beam sputter deposition(IBSD)source)、离子簇沉积源(ion cluster beam(ICB)deposition source)或者离子束辅助沉积源(ion beam assisted deposition(IBAD)source)。

本发明形成薄膜的方法和系统在沉积薄膜的同时使用蚀刻离子束轰击物体，不仅提高了薄膜在物体上的粘著及被覆性能，而且极大地降低了沉积率并延长了沉积时间，这样，在一批物体上形成薄膜的均一性明显提高。显而易见，低的沉积率亦可减轻在开关闸门时对薄膜的均一性的影响。此外，本发明薄膜形成方法亦克服了通过传统薄膜形成方法形成的具有优良可靠性的薄膜的厚度限制(例如，等于或大于3nm)。

为使本发明更加容易理解，下面将结合附图进一步阐述本发明薄膜形成方法及系统的实施例。

附图说明

图1为本发明薄膜形成方法一个实施例的流程图；

图2为本发明薄膜形成系统一个实施例的示意图；

图3为一个磁头的顶视图；

图4为图3中磁头的极间(pole，椭圆线IV所示)沿A-A线的剖视图，所述磁头表面有通过本发明薄膜形成方法形成的保护膜；

图5为一个磁盘的立体图；

图6为图5中磁盘沿B-B线的剖视图，所述磁盘表面有通过本发明薄膜形成方法形成的保护膜；

图7为通过传统薄膜形成方法形成的保护膜在酸浸测试后的扫描电子显微图片(Scanning Electron Microscope picture，SEM picture)；

图8为通过本发明薄膜形成方法形成的保护膜在酸浸测试后的扫描电子显微图片(Scanning Electron Microscope picture，SEM picture)。

具体实施方式

一种薄膜形成方法，包括如下步骤：(1)固持至少一个物体在真空室中；(2)沉积一种成膜材料在所述物体上；(3)在沉积成膜材料的同时蚀刻所述成膜材料。在本发明中，所述沉积与蚀刻过程被控制成同时进行。所述沉积过程是通过置备一个成膜靶材并发射离子束轰击该成膜靶材而进行的。所述蚀刻过程包括如下步骤：(1)在所述真空室中制备具有特定压力的惰性或活性气体；(2)离子化所述气体产生蚀刻离子束轰击所述物体。

参考附图，图1为本发明薄膜形成方法一个实施例的流程图，该方法包括如下步骤：(1)固持至少一个物体在真空室中(步骤100)；(2)所述真空室被抽真空到设定的气压，然后惰性或活性气体被引入蚀刻源(etching source)(步骤101)；(3)所述惰性或活性气体被离子化并通过蚀刻源的栅极被引出而产生蚀刻离子束(etching beam)(步骤102)；(4)第一沉积源(depositionsource)被开启而产生所需的第一沉积离子束(deposition beam)(步骤103)；(5)所述沉积及蚀刻源被装在物体前的基片闸门所阻挡(步骤104)；(6)当蚀刻离子束及沉积离子束均稳定时，所述基片闸门被打开，蚀刻离子束及沉积离子束同时轰击物体而在其上形成第一层薄膜(步骤105)。

在本发明中，可以通过第二沉积源轰击物体而在所述第一层薄膜之上形成第二层薄膜。第二沉积源是一个使用碳氢化合物作前体并有另一离子源辅助的离子源(ion beam source)，或者是一个使用碳氢化合物作前体并有另一离子源辅助的微波离子源(microwave ion source)。对应地，所形成的第二层膜为类金刚石碳膜。在步骤(103)中，第一沉积离子束是通过用一个离子源去轰击一个硅(或其他材料，如石墨)靶材而产生的，第一层膜是硅(或者其他材料，如碳)膜。在步骤(101)中，蚀刻源可以是射频感应等离子源(radiofrequency inductive plasma source)，或者是考夫曼离子源(Kaufman ionsource)。所述栅极可以是两层结构(two-platters tructure)或三层结构，并具有凹、凸或平整的表面。在本发明中，最好为三层结构。一个具有三层结构的栅极包括一个离子束栅极(beam grid)，抑制栅极(suppressor grid)及接地栅极(ground grid)。

在步骤(101)中，所述惰性或活性气体通过质量流量控制器(Mass FlowController，MFC)被引入蚀刻源。在所述惰性或活性气体被引入前，所述真空室的气压通常被抽真空至1×10E-6托(Torr)。所述惰性或活性气体被引入后，蚀刻源被点燃，过一段时间后所述等离子束变得稳定。接着，第一沉积源被开启。在本发明中，所述蚀刻源及第一沉积源前端各设有一个闸门，当蚀刻源及第一沉积源产生的等离子束变得稳定时，上述两个闸门被打开同时蚀刻及镀覆物体。

在本发明中，蚀刻源和沉积源均被调整到一个最优化的功率。为了避免对物体上重要元件(如图4中磁头上的磁阻元件35)的损伤，蚀刻源的离子能通常在60电子伏与200电子伏之间。第一沉积源的参数可根据沉积率及均一性的需要进行任意调整。

下面给出本发明一个具体实施例以便于更加详细的了解本发明。

参考图2，首先，装有物体4的货盘11通过机器人被放进真空室9中并固定到固定装置7上，所述货盘11根据需要倾斜一定角度。在本发明中，形成薄膜的系统设置蚀刻源1和第一沉积源2(在本实施例中为二次离子沉积系统)用于镀覆物体4，此外，二个闸门6，3分别装在蚀刻源1和第一沉积源2前端。蚀刻源1可产生蚀刻离子束(在本实施例中为氩离子束)，第一沉积源2可产生第一沉积离子束。基片闸门5被提供在物体4前端阻止物体4在蚀刻离子束和第一沉积离子束不稳定时被镀覆。

所述在真空室9中的镀覆过程是通过如下步骤实现的：

步骤1 表面清理

首先，蚀刻源1被打开用以产生氩离子束，所述蚀刻源1工作条件如下：氩气的流量为15SCCM，射频引燃电源功率为350瓦，射束电压(beam voltage)为120伏，射束电流(beam current)为100毫安培，抑制电压(suppressorvoltage)为200伏，氩离子束射向物体4的入射角为60度。

30秒后，当氩离子束稳定时，闸门6和基片闸门5被打开。接着，在货盘11上的物体4被氩离子束蚀刻30～60秒钟直到物体4的表面被清理干净。然后，闸门6和基片闸门5被关闭，蚀刻源1保持上述工作条件继续处于开启状态。

步骤2 镀第一层膜

这里选择硅膜为第一层膜，二次离子沉积系统(secondary ion beamdeposition system)2用于非晶硅沉积。所述二次离子沉积系统2包括离子源22和硅靶材21。所述用于轰击硅靶材21的离子源22的工作条件设定如下：氩气的流量为10SCCM，射频引燃电源功率为400瓦，射束电压为500伏，射束电流为300毫安培，抑制电压为300伏，从离子源22发出的氩离子束射向硅靶材21的入射角为35度。

30秒后，当离子束稳定时，闸门3和基片闸门5被打开。同时，闸门6也被打开，接着，步骤1中从蚀刻源1中发出的氩离子束轰击物体4表面而使硅膜更加致密。所述镀膜过程持续30～50秒直到硅膜厚度达到1nm。随后，闸门6，3和基片闸门5被关闭，同时二次离子沉积系统及蚀刻源1也被关掉。

步骤3 镀第二层膜

本步骤中采用乙烯来形成第二层膜-类金刚石碳膜(DLC film)。类金刚石碳膜镀覆使用同步骤1中蚀刻源1相同的离子源，并且保持所有的工作条件不变，仅仅将氩气改变为流量为80SCCM的乙烯。在上述被更改的蚀刻源被打开30秒后，离子束变得稳定，此时打开闸门6和基片闸门5。接着，离子化的乙烯段被沉积在物体4的硅膜上而形成类金刚石碳膜，这样，镀膜物体就形成了。此后，闸门6和基片闸门5被关闭，离子源亦被关闭。当物体4为磁头或磁碟时，形成于其上的保护膜36或40分别如图3-4和5-6所示。

在上述步骤中，所述系统还包括一个中和器(neutralizer)，用于消除物体4上的电荷积聚。此外，在本发明中，货盘11以15转/分的速度旋转。

参考图7-8，通过对比本发明及传统薄膜形成方法形成的具有相同厚度的保护膜在酸浸测试中的结果，可见通过本发明薄膜形成方法在物体上形成的保护膜展示出良好的性能，如表面覆盖性能。测试结果同时显示通过本发明薄膜形成方法在物体上形成的保护膜在厚度减至2.5nm进行酸浸测试时无任何明显的腐蚀现象。然而，通过传统薄膜形成方法在物体上形成的保护膜在厚度为4nm时才能达到此效果。

在本发明中，氩气可被其它惰性或活性气体所代替，第一沉积源2也可以是直接离子束沉积源(directly ion beam deposition(IBD)source)、离子束溅射沉积源(ion beam sputter deposition(IBSD)source)、离子簇沉积源(ion cluster beam(ICB)deposition source)或者离子束辅助沉积源(ionbeam assisted deposition(IBAD)source)。因为上述沉积源为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

以上所揭露的仅为本发明薄膜形成方法和系统的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims

1.一种薄膜形成方法，包括如下步骤：

固持至少一个物体在真空室中；

沉积一种成膜材料在所述物体上；

在沉积成膜材料时对所述成膜材料进行蚀刻，所述沉积与蚀刻过程被控制成同时进行；

所述沉积过程是通过置备一个成膜靶材并发射离子束轰击该成膜靶材而进行的；

所述蚀刻过程包括如下步骤：

在所述真空室中制备具有特定压力的惰性或活性气体；

离子化所述气体产生蚀刻离子束轰击所述物体。

2.如权利要求1所述的薄膜形成方法，其特征在于：所述对沉积与蚀刻过程的控制是在所述离子束与蚀刻离子束稳定后，暴露所述物体同时进行沉积与蚀刻。

3.一种系统，包括：

用于成膜的真空室；

将物体固定在真空室中的定位装置；

在所述物体上进行沉积作业的处理装置；

对所述物体进行蚀刻的蚀刻装置；及

控制所述处理装置和蚀刻装置离子束处理时间的控制器，所述控制器为一个置于所述物体前的闸门，该闸门在所述处理装置和蚀刻装置发射的离子束稳定时被打开。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：二个附加的闸门分别安装在所述处理装置和蚀刻装置的前端。

5.如权利要求3或4所述的系统，其特征在于：所述蚀刻装置内包括一个栅极。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述系统还包括一个中和器，用于消除物体上的电荷积聚。