CN104603324B - 制造用于透明衬底的高度透明的氢化的碳保护涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

用于沉积透明和清晰的氢化的碳膜例如氢化的类金刚石碳膜的物理汽相沉积(PVD)室。构建室体用于保持其中的真空条件，所述室体在其侧壁上具有窗孔。将具有孔的等离子体笼连接至该侧壁，使所述孔与窗孔重叠。使两个溅射靶位于等离子体笼内的阴极上并彼此相对地取向，将其构建为保持其间的等离子体，并将等离子体限制在等离子体笼内。笼内的等离子体从所述靶溅射材料，所述材料然后通过孔和窗孔并在衬底上着陆。在处理期间以经过式的方式不断移动衬底。

Description

制造用于透明衬底的高度透明的氢化的碳保护涂层的方法
相关申请
本申请要求主张于2012年7月5日提交的序列号为61/668,402的美国临时申请的优先权权益。
背景技术
1、技术领域
本公开内容涉及透明衬底例如用于平板显示器和触摸屏的衬底的制造，更具体地涉及用于这些平板的高度透明的保护涂层的制造。
2、相关现有技术
随着具有平面屏幕显示器和/或触摸屏的移动设备的增长，屏幕刮痕的问题变得更成问题。尤其是在使用手机和和平板电脑的情况下，它们均采用触摸屏且容易被刮伤。因此，需要坚固的耐刮痕的涂层。
已经提出类金刚石涂层(DLC)作为耐刮痕涂层用于各种应用；然而，现有技术系统所产生的情形是不能提供透明和清晰的涂层。相反，目前的涂层具有轻微色调且不清晰。然而，这些装置的使用者需要清晰的屏幕以在屏幕上传递生动色彩的图片。因此，标准的DLC的浅黄色对于这类应用来说是不可接受的。
发明内容
为了提供对本发明的一些方面和特征的基本理解，本公开内容包括以下概述。该概述不是本发明的广泛综述，并且不意图特别确定本发明的重要或关键要素或描述本发明的范围。它的唯一的目的是以简化形式作为以下所介绍的更详细说明的前序，来介绍本发明的一些构思。
本文所公开的具体实施方案能制造氢化的碳涂层，例如类金刚石涂层(DLC)，其是透明和清晰的，意指没有可察觉到的色调。所得涂层高度耐受划痕，并且对光例如从平板显示器或触摸屏发射的光为高度透射性的。
根据一个实施方案，公开了用于在玻璃上提供氢化的碳涂层的系统和方法。所产生的涂层是透明和清晰的、没有可察觉的色调。所述涂层使用物理汽相沉积(PVD)产生，其中氩气和氢气被注入等离子体中，以产生氢化的碳涂层。
根据一个实施方案，构建PVD系统，使从靶到涂层衬底没有或仅有最小的瞄准线(line-of-sight)。等离子体从衬底边远处产生，而颗粒被从靶溅射到等离子区中，不能按照瞄准线的途径直接到达衬底。具体是，以垂直于靶的溅射表面的轨迹发射的颗粒按照平行于衬底运动方向的方向运动。
根据所公开的实施方案，进行PVD，不对衬底施加任何电偏压。在一些实施方案中仅涂布衬底的一面，在另一个实施方案中则同时涂布衬底的两个面。所公开的涂层具有良好的粘合性、良好的清晰传输且没有可察觉到的色调，同时对刮痕提供高耐受性。
根据一个实施方案，提供了用于沉积透明且清晰的氢化的碳膜的物理汽相沉积(PVD)室。构建室体用于维持其中的真空条件，所述室体在其侧壁上具有窗孔(aperture)。将具有孔的等离子体连接至所述侧壁，使孔与窗孔重叠。两个溅射靶位于等离子体笼内部的阴极上并彼此相对地取向，并构建为使维持其见的等离子体，并将等离子体限制在等离子体笼内部。等离子体内部的笼从靶溅射材料，然后使材料通过孔和窗孔，并着陆在衬底上。在处理期间以经过(pass-by)的方式不断移动衬底。
根据另一个实施方案，提供了在衬底上形成清澈的氢化的碳膜的方法，其包括：提供处理室和位于处理室外部的等离子体笼；将无定形碳溅射靶固定至(affix)等离子体笼内部的两个阴极上，以使两个溅射靶彼此面对；抽空处理室；将氩和氢的处理气体注入等离子体笼中；通过将DC电力施加至两个阴极来点燃和维持等离子体，并将等离子体限制在等离子体笼内；在处理室内部输送衬底；提供用于使从溅射靶溅射的颗粒到达处理室内部的衬底的路径。
根据又另一个实施方案，提供了在衬底上沉积清澈的氢化的碳的系统，其包括：入口装载闭锁(loadlock)室；经由隔离阀连接至入口装载闭锁室的预清洁室；与所述预清洁室相连的隔离室；与隔离室相连并构建用于在衬底上沉积SiO2膜的静态溅射室；与静态溅射室相连的第二隔离室；与第二隔离室相连并构建用于在SiO2膜上沉积氢化的碳膜的经过式(pass-by)溅射室；和出口装载闭锁室。
附图说明
本发明的其它方面和特征通过结合以下附图的详细说明是明显的。应提及的是各种详细说明和附图提供了对本发明的各实施方案的非限制性的各种实例，本发明则是由所附权利要求书来限定的。
加入并构成本说明书的一部分的附图示例了本发明的实施方案，其与说明书一起用于解释和举例说明本发明的原理。所述附图旨在以图例的方式举例说明示例性实施方案的主要特征。所述附图旨在不描述实际实施方案的每个特征，也不涉及所绘制元件的相对尺寸，并且也不按比例绘制。
图1所示为根据一个实施方案、在衬底上施加氢化的碳膜的系统的总视图；
图2所示为根据一个实施方案的溅射室的顶部视图；
图3所示为根据另一个实施方案溅射室的顶部视图；
图4所示为根据所公开的实施方案、使用氩与氢气的各种比例下的具有DLC涂层的玻璃衬底的清晰度绘图；
图5所示为根据所公开的实施方案、在SiO2膜上的DLC膜与DLC膜的绘图。
具体实施方式
图1示例说明在玻璃衬底上沉积耐刮痕的氢化的碳涂层、例如氢化的DLC涂层的系统的实施方案。在该实例中，系统具有两排分开的室，它们可垂直堆叠，例如上排和下排，或者水平肩并肩地放置。采用垂直构造能够容易到达每个室的两面，不用增加系统的总台面面积(footprint)。容易到达每个室的两面可以使每个衬底的两面同时溅射，如果需要的话。如果仅一面需要涂布，那么可采用水平肩并肩的构造。如果在垂直取向上保持时对衬底进行传送和处理，则系统的台面面积不会显著增加，即使是肩并肩的构造。
不考虑构造，如图1所示，将衬底在大气加载/卸载平台100中进行加载和卸载。然后使衬底进入装载闭锁真空室105。在图1中，“x”表示真空隔离阀的位置。因此，例如装载闭锁真空室105在两侧例如进口和出口均具有隔离阀。当衬底进入装载闭锁室时，阀体被关闭并抽空装载闭锁室，从而将衬底引入真空环境。然后衬底离开装载闭锁室并进入处理模块1的工段1，其是预清洁工段110。工段1是诱导耦合等离子体室，并通过使用氩气和氧气产生等离子体进行衬底的预清洁。在该室中，在诱导耦合等离子体源面前停止衬底并在衬底上进行等离子体清洁。在该情况下，可将该室称为静态室，因为在处理期间衬底保持静止。从那里将衬底移入处理模块1的工段2中，它是隔离室115，其将所述预清洁室与处理模块2的处理隔开。
然后衬底被移进处理模块2的工段3中，它是PVD室120。PVD室120是经过式PVD室，这意指随着沉积过程正在进行时衬底不断地移动，并扫描经过靶。在工段3中，在用氧气和氩气维持的等离子体存在下使用硅靶，用SiO2的薄层涂布衬底。SiO2层厚度为在一些实施方案中为因此其完全清澈和透明，没有任何色调。然后将衬底移入工段4，它是隔离室125。因此，在该实施方案中，PVD室120在其入口处具有隔离室，并在其出口处具有隔离室，以确保PVD室与所述系统的其余部分完全隔离。
然后衬底在后模块130中旋转并移入工段5中，它是隔离室135。值得注意的是，当系统采用垂直堆叠构造时，工段5还可加入升降器，以将衬底升高或降低至下一排室。然后衬底移入工段中，它是用于沉积氢化的碳膜或氢化的DLC膜的PVD室。PVD室140为经过式PVD室，其意指在溅射过程中衬底持续移动，并在沉积源前被扫描。因此，图1的系统为混合系统，在相同的处理线中具有停止和行进的诱导耦合等离子体预清洁室和经过式PVD室。
在工段6处(它是PVD室140)，使用远程限制的等离子体将氢化的DLC层沉积在SiO2层上，其中溅射靶没有通向衬底的瞄准线，以防止颗粒直接从靶飞向衬底。该过程在约1-30毫托或7-10毫托下使用25-70％氢气和25-80％氩气进行。衬底可以在室温例如25℃下，或由于在先的等离子体清洁和SiO2沉积，可将衬底或通过加热器加热，直至约250℃。DLC涂层为约40-75A，并且对可见光谱是完全透明和清晰的，没有色调。然后将衬底移入工段7，该工段是隔离室145，从那里经由装载闭锁室150离开并通向加载/卸载平台。因此，PVD室140在其入口和出口处还具有隔离室。
图2和3示例说明了尤其适合在工段140中沉积氢化的DLC涂层的溅射系统的实施方案的顶部截面视图。可使用这两个实施方案中的任一个，然而，如果追求从靶至衬底完全没有瞄准线，那么应采用图3的实施方案。此外，图2和图3的实施方案示例说明使用在处理室的任一侧上的溅射源，其能够在衬底的两个面上同时进行沉积。然而，对于需要仅在一个表面上进行沉积的衬底，可忽略一个源，以使所述室具有仅连接至一个侧壁的一个溅射源。
从图2可以看出，处理室210具有含阀212的入口开口和含阀214的出口开口，通过它衬底200被分别引入和离开所述室。该室还具有相对的侧壁，至少一个侧壁具有窗孔208，以便当衬底位于室内时能够使颗粒经过其中并沉积在衬底200上。衬底200在沉积过程中可静止或沿箭头所示方向移动。构建处理室210以保持其中的真空，并通过真空泵217抽空。
等离子体笼202连接至室210的侧壁，并具有对应于该室侧壁中的窗孔的窗孔。等离子体笼202将等离子体限制在远离衬底200的区域，使没有等离子体到达衬底200。使靶206连接至阴极203并位于等离子体笼202内部，从而使从靶206溅射的颗粒没有到达衬底200的瞄准线路径，而是必须弯曲并经由窗208到达衬底206，如虚线箭头所示。应注意，图2的等离子体笼202使其靶206位于平行于衬底200路径的方向。在图2示例说明的实施方案中，将DC电力施加至阴极以维持等离子体和来自靶的溅射材料，以便溅射材料沉积在衬底200上。在另一实施方案中，可将AC或脉冲DC电施加至阴极。
在图3中所示的处理室与图2的非常相似，除了图3中的等离子体笼302使其靶306和阴极303位于使靶的溅射表面处于垂直于衬底300的路径的平面。换言之，垂直于任一个靶的溅射表面的线，例如图3虚线箭头所示的线将会平行于靶的运行方向，如实线箭头所示。然而，同样在图3的实施方案中，从靶306溅射的颗粒没有一条通向衬底的瞄准线路径，而是必须弯曲并经由窗308到达衬底。
在图2和图3的两个实施方案中，分别经由注射器201和301用注入的处理气体来维持等离子体，在该情况下处理气体是氩气和氢气的混合物。氩气用于产生离子，该离子从所述靶溅射颗粒，而氢气被用于氢化溅射的膜。图4所示为在不同Ar/H2比例时的透射率/DLC厚度的关系图。可以看出在50％Ar、50％H2处有非常良好的结果。
图3中示例说明的任选特征是在每个相对靶后面提供磁体阵列330，其中一侧的磁体极性与在另一侧的极性相反。此外，已发现为了获得透明且清晰的DLC膜，用于各磁体产品的最大磁体能量必须在200kJ/m3<BH最大<425kJ/m3，优选300kJ/m3<BH最大<400kJ/m3范围。此外，当将靶如图3所示布置时，应将靶对间的间距限制在30-300mm，优选在40-200mm。
图5为的DLC膜和在的SiO2膜上沉积的DLC膜的透射率数据的视图。可以看出，两种情况下的透射率在总体可见光频率下都很，并且实际上随着薄SiO2层的加入还得到了改进。
为了达到高度透明且清晰的DLC膜，将DC电以特定的电力密度，即每靶面积范围的电力施加至所述靶上。为了最好的结果，所述电力密度为约30-770kW/平方英寸的靶。发现电力密度维持在该范围外时会导致所述膜的染色或着色，这对于平板屏幕和触摸屏应用是不能接受的。例如，对于13英寸2的靶，可将约1-4kW的DC电施加至靶上，它就是77-308kW/英寸2。DC电压为400-1000V，并且可以是连续的或脉冲的。靶材料为无定形碳，约90-100％的纯碳。溅射气体通常为具有约50％Ar:50％H2至85％Ar:15％H2的流量的H2/Ar的混合物，其中50％Ar:50％H2的流量提供最好的结果，70％Ar:30％H2提供可接受但不是很理想的结果。可加入其它气体。
在一个实施方案中，在固定靶前面的衬底上采用三次经过(three passes)的方式沉积的DLC涂层，每次经过沉积所述靶以2kW施加DC，并在溅射过程中以10mm/sec移动衬底。
应理解本文的方法和技术并不内在地与任何特定装置有关，而是可通过组件的任何适当组合来实施。进一步，可根据本文所描述的教导使用各种类型的通用装置。其仍可证明构建专门的装置进行本文所描述的方法步骤也将会是有利的。
已经参照特定的例子描述了本发明，这些特定例子在所有方面都是为了示例性目的而非限制性目的。本领域技术人员可以认识到，硬件、软件和固件的许多不同组合都将适于本发明的实施。此外，考虑到在此公开的本发明的说明书和实践，本发明的其它实施方案对于本领域技术人员来说将是明显的。所述说明书和实施例旨在仅应视为是示例性的，本发明的实际范围和精神由以下的权利要求书来表明。

Claims (13)

1.在衬底上形成氢化碳膜的方法，其包括：
提供处理室和位于处理室外部的等离子体笼；
将碳溅射靶固定至等离子体笼内部的两个阴极上，使两个溅射靶彼此面对；
将处理室抽空；
将氩和氢的处理气体注射到等离子体笼中；
通过将电力施加至两个阴极来点燃和维持等离子体，并将等离子体限制在等离子体笼内部；
在处理室内部传输衬底，不对所述衬底施加任何电偏压；和
提供用于使从溅射靶溅射的颗粒到达处理室内部的衬底的路径；
其中将电力施加至两个阴极包括以约30-770W每平方英寸靶的电力密度施用DC电，以便形成类金刚石涂层(DLC)的氢化的碳膜，其对可见光谱是透明的和清晰的，没有可察觉到的色调。
2.权利要求1的方法，其中将电力施加至两个阴极包括施加400-1000V的DC电压。
3.权利要求1的方法，其中将电力施加至两个阴极包括施加1-10kW的DC电。
4.权利要求1的方法，其中向等离子体笼中注入氩和氢的处理气体包括注入50％的氩气和50％氢气。
5.权利要求1的方法，其中向等离子体笼中注入氩和氢的处理气体包括注入40％-80％氩气和60％-20％氢气的混合物。
6.权利要求1的方法，其进一步包括在沉积氢化碳膜之前沉积SiO2的薄膜。
7.权利要求1的方法，其进一步包括在靶后面布置磁体阵列，以及将位于一个靶后面的磁体阵列的磁极性设置为与位于相对靶后面磁体阵列的磁极性相反。
8.权利要求7的方法，其进一步包括将单个磁体产品的最大磁体能量设置为200kJ/m3-425kJ/m3。
9.权利要求7的方法，其进一步包括将单个磁体产品的最大磁体能量设置为300kJ/m3-400kJ/m3。
10.权利要求1的方法，其进一步包括将靶之间的空间间距设置为30-300mm。
11.权利要求1的方法，其进一步包括将靶之间的空间间距设置为40-200mm。
12.权利要求1的方法，其进一步包括布置所述靶，使从靶至衬底没有瞄准线。
13.权利要求1的方法，其进一步包括布置所述靶，使得以垂直于靶的溅射表面的轨迹发射的颗粒按照平行于衬底运动方向的方向运动。
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