DE69733350T2

DE69733350T2 - Hochtetraedrische amorphe kohlenstofffilme sowie verfahren und ionenstrahlquelle zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE69733350T2
Application number: DE69733350T
Authority: DE
Inventors: Vijayen Veerasamy; Manfred Weiler; Eric Li
Original assignee: UNITED MODULE CORP LOS ALTOS; United Module Corp
Current assignee: United Module Corp Los Altos Calif Us
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: WO1997045834A1; AU3224297A; JP2008123671A; JP2008091022A; EP0906636B1; JP2008077833A; AU3293097A; DE69733350D1; JP2008117521A; JP2008120676A; EP0906636A1; EP0909445A1; ATE296482T1; JP2000512053A; WO1997045855A1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Dünnfilme und auf Verfahren für ihre Abscheidung und schafft insbesondere diamantähnliche Filme, Plasmastrahl-Abscheidungssysteme und Verfahren, die für die Erzeugung diamantähnlicher Schutzüberzüge auf magnetischen Aufzeichnungsmedien und in anderen industriellen Anwendungen nützlich sind.
In den letzten Jahren gab es beträchtliches Interesse an der Abscheidung einer Gruppe von Materialien, die als diamantähnlicher Kohlenstoff bezeichnet werden. Diamantähnlicher Kohlenstoff kann allgemein als eine metastabile, hochdichte Form von amorphem Kohlenstoff definiert werden. Diamantähnlicher Kohlenstoff wird wegen seiner hohen mechanischen Härte, seiner niedrigen Reibung, seiner optischen Durchlässigkeit und seiner chemischen Trägheit geschätzt.
Die Abscheidung diamantähnlicher Kohlenstofffilme umfasst häufig Abscheidungstechniken aus der Gasphase, wobei die Abscheidungsprozesse häufig plasmaverstärkt sind. Bekannte diamantähnliche Filme enthalten häufig Kohlenstoff mit Wasserstoff, Fluor oder einem anderen Mittel. Die Dauerhaftigkeit und die vorteilhaften elektrischen Eigenschaften von diamantähnlichen Kohlenstofffilmen haben zu zahlreichen Vorschlägen geführt, diese Filme auf Halbleiter, in der Optik und in einer breiten Vielfalt weiterer industrieller Verwendungen anzuwenden. Leider haben die Kosten und die Komplexität der Erzeugung dieser vorteilhaften diamantähnlichen Kohlenstofffilme unter Verwendung bekannter Abscheidungsprozesse aus der Gasphase ihre Verwendung etwas beschränkt. Obgleich eine breite Vielfalt diamantähnlicher Kohlenstoffbeschichtungsfilme in Labors abgeschieden worden sind, ist darüber hinaus festgestellt worden, dass viele dieser Filme alles andere als ideale Materialeigenschaften besitzen.
Eine ganz andere Form von amorphem Kohlenstoff wird allgemein als ein Schutzüberzug für magnetische Aufzeichnungsmedien angewendet. Magnetische Aufzeichnungsplatten umfassen allgemein ein Substrat mit einer Magnetschicht und einer Anzahl darauf abgeschiedener Unterschichten und Überschichten. Wie in der Industrie allgemein erkannt ist, werden das Wesen und die Zusammensetzung jeder Schicht so gewählt, dass die gewünschten magnetischen Aufzeichnungseigenschaften erzeugt werden.
Die in den magnetischen Aufzeichnungsmedien gespeicherten Informationen umfassen Änderungen des Magnetfeldes eines Dünnfilms aus ferromagnetischem Material wie etwa aus einem magnetischen Oxid oder aus einer magnetischen Legierung. Üblicherweise ist über der Oberseite der Magnetschicht eine Schutzschicht gebildet und über der Schutzschicht eine Schicht aus Schmiermaterial abgeschieden. Diese Schutzschicht und diese Schmierschicht vereinigen sich, um durch Begrenzung der Reibung und Erosion der magnetischen Aufzeichnungsschicht die Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit der magnetischen Aufzeichnungsmedien zu erhöhen. Als Schutzüberzüge für starre magnetische Aufzeichnungsplatten haben zerstäubte amorphe Kohlenstofffilme eine umfassende Nutzung erlangt. Es ist gezeigt worden, dass zerstäubte amorphe Kohlenstoffüberzüge bei einer verhältnismäßig dünnen Schutzschicht einen hohen Grad an Verschleißschutz schaffen. Magnetische Aufzeichnungsplattenstrukturen, die zerstäubten amorphen Kohlenstoff enthalten, sind sehr erfolgreich und ermöglichen recht hohe Aufzeichnungsdichten. Wie bei allen Erfolgen ist es derzeit aber erwünscht, magnetische Aufzeichnungsplatten mit noch höheren Aufzeichnungsdichten zu schaffen.
Allgemein können die Aufzeichnungsdichten dadurch verbessert werden, dass der Abstand zwischen dem Aufzeichnungswandler, der der Lese/Schreib-Kopf genannt wird, und der Magnetschicht der magnetischen Aufzeichnungsplatte (oder genauer zwischen dem Lese/Schreib-Kopf und der Mitte der Magnetschicht) verringert wird. In modernen magnetischen Aufzeichnungssystemen gleitet der Lese/Schreib-Kopf häufig auf einem Luftpolster, einer Luftschicht, die sich mit der rotierenden Platte bewegt, über der Aufzeichnungsoberfläche. Um den Reibungskontakt zwischen der rotierenden Platte und dem Lese/Schreib-Kopf zu minimieren, ist die Plattenoberfläche allgemein rauer (und die Gleithöhe somit höher), als sie ansonsten für eine magnetische Aufzeichnung mit hoher Dichte ideal wäre. Selbst wenn diese Gleithöhe verringert (oder beseitigt) wird, ist der Lese/Schreib-Kopf durch den amorphen Kohlenstoffschutzüberzug von der Aufzeichnungsschicht getrennt. Diese Schutzschicht allein kann die Flächendichte der Medien begrenzen, um die gewünschte Medienlebensdauer zu liefern. Allgemein sind die Überzugsschichtdicken durch Dauerhaftigkeits- und Zusammenhangsbeschränkungen vorgeschrieben. Zerstäubter Kohlenstoff wird bei Dicken unter etwa 5 nm (50 Å) häufig dispers. Somit schreiben die Dauerhaftigkeitsanforderungen starrer magnetischer Aufzeichnungsmedien allgemein vor, dass die Entfernung zwischen dem Lese/Schreib-Kopf und der magnetischen Aufzeichnungsschicht aufrechterhalten wird, obgleich dies die Flächendichte der magnetischen Aufzeichnungsmedien begrenzt.
Zuvor ist vorgeschlagen worden, bekannte Abscheidungstechniken aus der Gasphase zu nutzen, um eine Vielzahl diamantähnlicher Kohlenstoffmaterialien zur Verwendung als Schutzbeschichtungen für flexible Aufzeichnungsmagnetbänder und Aufzeichnungsmagnetköpfe abzuscheiden. Leider setzen die bekannten Verfahren der Abscheidung diamantähnlicher Materialien aus der Gasphase einschließlich plasmaunterstützter Verfahren das Substrat allgemein Temperaturen von über 500 °C aus, was für die meisten Magnetplattensubstrate schädlich ist. Somit liefern diese bekannten diamantähnlichen Kohlenstofffilme verhältnismäßig gute Härte- und Reibungseigenschaften, während sie aber wenig praktische Anwendung im Gebiet starrer magnetischer Aufzeichnungsmedien gefunden haben, in dem zerstäubte amorphe Kohlenstoffschutzüberzüge überwältigend dominieren.
Aus diesen Gründen wäre es nützlich, verbesserte magnetische Schutzüberzüge mit verbesserten Reibungs- und Gleiteigenschaften des Lese/Schreib-Kopfs (allgemein Stiction genannt) für Aufzeichnungsmedien zu schaffen. Vorzugsweise schafft ein solcher verbesserter Überzug Dauerhaftigkeit und Zuverlässigkeit, ohne dass zu den Dichte begrenzenden Gleithöhen und/oder Schutzüberzugdicken bekannter starrer magnetischer Aufzeichnungsmedien gegriffen werden muss und ohne die Mediensubstrate übermäßigen Temperaturen auszusetzen.
Außerdem wäre es erwünscht, verbesserte diamantähnliche Kohlenstoffmaterialien und Verfahren zu ihrer Abscheidung zu schaffen. Besonders erwünscht wäre es, wenn diese Materialien und Verfahren für praktische starre magnetische Aufzeichnungsmedien genutzt werden könnten, ohne den Abstand zwischen dem Lese/Schreib-Kopf und der magnetischen Aufzeichnungsschicht zu verringern, indem ideal eine ebenere, glattere und dünnere Schutzbeschichtung geschaffen wird, die die Dauerhaftigkeit der gesamten Aufzeichnungsmedienstruktur aufrechterhält oder sogar verbessert. Außerdem wäre es vorteilhaft, alternative Verfahren und Systeme zur Abscheidung dieser Schutzschichten zur Verwendung bei der Herstellung magnetischer Aufzeichnungsmedien sowie integrierter Schaltungen, von Optik, von Werkzeugmaschinen und in einer Vielzahl zusätzlicher industrieller Anwendungen zu schaffen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Das US-Patent Nr. 5.182.132 beschreibt magnetische Aufzeichnungsmedien mit einem diamantähnlichen Kohlenstofffilm, der mit durch Plasma unterstützten Abscheidungsverfahren aus der Gasphase mit alternierendem Stromkreis abgeschieden wird. Das US-Patent Nr. 5.482.784 beschreibt eine fluorierte diamantähnliche Kohlenstoffschutzschicht für magnetische Aufzeichnungsmedienvorrichtungen. Die europäische Patentanmeldung 700.033 beschreibt einen seitlich angebrachten Dünnfilm-Magnetkopf mit einer Schutzschicht aus diamantähnlichem Kohlenstoff. Die europäische Patentanmeldung Nr. 595.564 beschreibt magnetische Aufzeichnungsmedien mit einem diamantähnlichen Schutzfilm, der aus Kohlenstoff und Wasserstoff besteht.
Das US-Patent Nr. 5.158.703 beschreibt ein Verfahren für die Oberflächenbehandlung von Halbleitern durch Partikelbeschuss, wobei das Verfahren ein kapazitiv gekoppeltes Extraktionsgitter verwendet, um einen elektrisch neutralen Plasmastrom zu erzeugen. V. S. Veerasamy u. a. beschrieben in Solid-State Electronics, Bd. 37, S. 319-326 (1994) die Eigenschaften von tetraedrischem amorphem Kohlenstoff, der mit einem gefilterten Katodenvakuumbogen abgeschieden wird. Der jüngste Fortschritt bei der Abscheidung mit gefiltertem Vakuumbogen wurde von R. L. Boxman in einer Abhandlung besprochen, die auf der International Conference of Metallurgical Coatings and Thin Films in San Diego im April 1996 dargestellt wurde. Von Professor Oechsner wurden in Plasma Physics, Bd. 15, S. 835-844 (1974) Elektronenzyklotronwellenresonanzen in Niederdruckplasmen mit einem überlagerten statischen Magnetfeld beschrieben. Das US-Patent Nr. 5.091.049 beschreibt eine RF-Ionenquelle, die eine Plasmaerzeugungskammer, eine Antenne zum Starten von RF-Wellen, Magnetmittel und Ionenextraktionselektroden umfasst. Dadurch werden Whistler-Wellen zum Erzeugen von Plasmen hoher Dichte zur Verwendung in einer Plasmaätz-, Abscheidungs- und Zerstäubungsausrüstung verwendet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft ein verbessertes diamantähnliches Kohlenstoffmaterial, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, insbesondere für die Erzeugung magnetischer Aufzeichnungsmedien. Außerdem schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Ionenstrahlquelle für die Abscheidung dieser Filme, wie sie in den Ansprüchen 4 bzw. 12 beansprucht sind. Das diamantähnliche Kohlenstoffmaterial der vorliegenden Erfindung ist hochtetraedrisch, d. h., es weist eine große Anzahl von sp³-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen auf, die in einem Diamantkristallgitter zu finden sind. Außerdem ist das Material amorph, wobei es eine Kombination kurzreichweitiger Ordnung und langreichweitiger Unordnung erzeugt, und kann als Filme abgeschieden werden, die bei Dicken, die im Wesentlichen kleiner als die bekannter amorpher Kohlenstoffbeschichtungsmaterialien sind, ultraglatt und zusammenhängend (fehlstellenfrei) sind. Die Kohlenstoffschutzbeschichtungen der vorliegenden Erfindung sind hydratisiert, wobei sie allgemein einen erheblich höheren Prozentsatz von Kohlenstoff-Kohlenstoff-sp³-Bindungen als bekannte hydratisierte amorphe diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtungen mit ähnlichen Zusammensetzungen schaffen und optional stickstoffhaltig sein können. In einem bevorzugten Verfahren zur Abscheidung dieser Materialien bildet eine kapazitive Kopplung aus einem dichten, induktiv ionisierten Plasma einen hochgleichförmigen, wahlweise erregten Ionenstrom. Diese induktive Ionisierung wird durch ein verhältnismäßig langsam bewegtes (oder "quasistatisches") Magnetfeld verstärkt, das die resonante Ionisierung und die Homogenisierung des Ionenstrahls unterstützt. Offensichtlich finden die Materialien, Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht nur auf dem Gebiet magnetischer Aufzeichnungsmedien und verwandter Vorrichtungen, sondern auch bei der Fertigung integrierter Schaltungen, in der Optik, bei Werkzeugmaschinenbeschichtungen und in einer breiten Vielfalt von Filmabscheidungs- und Ätzanwendungen Anwendungen.
In einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Abscheidung eines diamantähnlichen, amorphen hochtetraedrischen Kohlenstofffilms, wobei das Verfahren das Ionisieren eines Quellmaterials zur Bildung eines Plasmas, das Kohlenstoffionen enthält, umfasst. Die Kohlenstoffionen werden angeregt, um aus dem Plasma einen Strahl bzw. Strom zu einem Substrat zu bilden, so dass der Kohlenstoff von den Ionen auf dem Substrat abgeschieden wird. Die Ionen schlagen mit einer Energie auf, die die Bildung von sp³-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen unterstützt. Vorteilhaft kann dieses Verfahren eine hochtetraedrische, amorphe Kohlenstoffschutzschicht bilden, die allgemein von 70 bis 85 % sp³-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen aufweist. Um die Bildung der gewünschten Gitterstruktur zu unterstützen, liegt die Aufschlagenergie der angeregten Kohlenstoffionen allgemein innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, wobei die Bindungen offensichtlich mindestens teilweise durch Subplantation gebildet werden. Vorzugsweise schlägt jedes Kohlenstoffion mit einer Energie von 100 bis 120 eV auf. Die resultierende hochtetraedrische, amorphe Kohlenstoffschutzschicht enthält mehr als etwa 70 % sp³-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen.
Allgemein ist der Strom primär aus Ionen mit einem gleichförmigen Gewicht zusammengesetzt, wobei die Aufschlagenergie vorzugsweise im Wesentlichen gleichförmig ist. In einigen Ausführungsformen wird die Gleichförmigkeit durch Filterung des Ionenstroms unterstützt. In diesen Fällen umfasst der Anregungsschritt allgemein das Stoßen eines Plasmas unter Verwendung eines Festkörper-Katodenbogens aus einem Kohlenstoffquellenmaterial. Alternativ wird der Strom durch Anlegen eines alternierenden Potentials zwischen einer Kopplungselektrode und einem Extraktionsgitter angeregt, um das Plasma relativ zu dem Extraktionsgitter durch kapazitive Kopplung selbst vorzuspannen, wodurch der Ionenstrahl durch das Gitter extrahiert wird. Sowohl in den Ionenstrom als auch in die Schutzschicht werden Wasserstoff und optional Stickstoff aufgenommen.
Es kann ein magnetisches Aufzeichnungsmedium gebildet werden, das ein Substrat, eine über dem Substrat angeordnete Magnetschicht und eine über der Magnetschicht angeordnete Schutzschicht umfasst. Die Schutzschicht umfasst einen hochtetraedrischen amorphen Kohlenstoff, der allgemein mehr als etwa 70 % sp³-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen aufweist. Vorzugsweise werden diese Bindungen mindestens teilweise dadurch gebildet, dass ein energetischer Strom von Kohlenstoffionen auf das Substrat ausgerichtet wird. Diese Schutzschichten sind bei einer Dicke von weniger als etwa 7,5 nm (75 Å) ultraglatt und zusammenhängend und liefern selbst bei einer Dicke von weniger als etwa 5 nm (50 Å) dauerhafte Aufzeichnungsmedien. Außerdem können die Härte und die tribologische Leistungsfähigkeit dieser dichten Schutzmaterialien äußerst dauerhafte Aufzeichnungsmedien mit Flächenaufzeichnungsdichten von über 1 Gigabyte pro Quadratzoll bei verringerten Gleithöhen des Lese/Schreib-Kopfs von weniger als etwa 1 μ", optional in Nahezu-Kontakt- oder Dauerkontakt-Aufzeichnungssystemen, ermöglichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Ionenstrahl dadurch erzeugt, dass ein Plasma in einem Plasmavolumen eingegrenzt wird, das Plasma induktiv ionisiert wird und durch kapazitive Kopplung aus dem Plasmavolumen ein Ionenstrom gebildet wird. Das Verfahren kann das Bewegen eines Magnetfeldes durch das Plasma umfassen, um eine resonante induktive Ionisierung zu unterstützen, indem vorzugsweise jede von einer Mehrzahl radial um das Plasmavolumen angeordneter Spulen aufeinander folgend angeregt wird.
In einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Ionenstrahlquelle mit einem induktiven Ionisierungssystem. Die Quelle enthält eine Antenne, die um ein Plasmavolumen angeordnet ist, um ein Plasma darin induktiv zu ionisieren. Eine Kopplungselektrode liegt zu dem Plasmavolumen frei und über einer Öffnung des Plasmavolumens ist eine Extraktionselektrode angeordnet, so dass die Extraktionselektrode durch kapazitive Kopplung durch das Gitter Ionen aus dem Plasma ausstoßen kann. Das System kann mindestens eine an das Plasmavolumen angrenzende Spule umfassen, die an das Plasmavolumen ein transversales Magnetfeld anlegen kann, um die resonante induktive Ionisierung durch die Antenne zu unterstützen. Das Magnetfeld kann durch das Plasmagehäuse bewegt werden, um den ausgestoßenen Ionenstrom zu homogenisieren. Diese Bewegung des Magnetfeldes, die optional durch wahlweises Anregen der radial um das Plasmavolumen angeordneten Spulen geliefert wird, kann das Plasma dadurch, dass Partikelzusammenstöße unterstützt werden, durch eine Rühr- oder Mischwirkung außerdem weiter verdichten.
In einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein diamantähnliches Material, das Kohlenstoff im Bereich von etwa 72 bis 92 Atom-% und Wasserstoff im Bereich von etwa 8 bis 18 Atom-% besitzt und eine Dicke von weniger als etwa 7,5 nm besitzt. Das Material ist amorph und von etwa 70 bis 85 % der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sind sp³-Bindungen. Allgemein wird die Bildung der sp³-Bindungen mit der Subplantation unter Verwendung der Ionenstrahlabscheidung aus einer Plasmastrahlquelle unterstützt, so dass die Anzahl dieser Bindungen höher als die bekannter Materialien mit ähnlichen Zusammensetzungen ist. Somit haben der hochtetraedrische amorphe Kohlenstoff und der hydratisierte Kohlenstoff der vorliegenden Erfindung weniger polymerähnliche Wasserstoffketten und zeigen allgemein eine erhöhte thermische und mechani sche Stabilität.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Abscheidung von hochtetraedrischem amorphem Kohlenstoff über einem Substrat geschaffen, wobei das Verfahren die induktive Ionisierung von Acetylen als einem Quellmaterial zur Bildung eines Plasmas und die Eingrenzung des Plasmas in einem Plasmavolumen umfasst. Das Plasma wird kapazitiv gekoppelt, um einen Strom zu bilden, der aus dem Plasmavolumen nach außen fließt. Der Strom enthält Kohlenstoffionen aus dem Plasma und ist auf das Substrat ausgerichtet. Ein solches Verfahren ermöglicht vorteilhaft die Abscheidung von Kohlenstoffionen gleichförmiger Größe mit einer gleichförmigen Energie und das Anpassen der energetischen Kohlenstoffionen, um die sp³-Bindung durch Subplantation spezifisch zu unterstützen. Das Quellmaterial umfasst typisch Acetylen mit einem im Wesentlichen kohärenten Dissoziationsenergiespektrum. Vorzugsweise treffen die Ionen für jedes Kohlenstoffatom mit einer Aufschlagenergie von jeweils etwa 57 bis 130 eV, ideal von jeweils etwa 80 bis 120 eV, auf das Substrat auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Ionenstrahlquelle ein Gehäuse, das ein plasmaeingrenzendes Volumen definiert. Das Gehäuse besitzt eine Öffnung und um das Plasmavolumen ist eine Antenne angeordnet, so dass das Anlegen eines ersten alternierenden Potentials an die Antenne zu einer induktiven Ionisierung eines darin befindlichen Plasmas führt. Mit dem Plasmavolumen ist eine Kopplungselektrode elektrisch gekoppelt und über der Öffnung des Gehäuses ist eine Extraktionselektrode angeordnet. Die Extraktionselektrode besitzt eine Oberfläche, die im Wesentlichen kleiner als die Oberfläche der Kopplungselektrode ist, so dass das Anlegen des zweiten alternierenden Potentials zwischen der Kopplungselektrode und der Anregungselektrode Ionen durch das Gitter aus dem Plasma ausstoßen kann. Vorzugsweise grenzt an das Gehäuse mindestens eine Spule an, die an das Plasmavolumen ein transversales Magnetfeld anlegen kann, wodurch durch die Antenne eine hocheffiziente induktive Ionisierungsresonanz unterstützt wird. Ideal kann das Magnetfeld durch das Plasmagehäuse bewegt werden, um den ausgestoßenen Ionenstrom zu homogenisieren. Diese Bewegung des Magnetfeldes, die optional durch wahlweises Anregen von Spulen geliefert wird, die radial um das plasmaeingrenzende Volumen angeordnet sind, kann das Plasma durch Unterstützen von Partikelzusammenstößen mit einer Rühr- oder Mischwirkung weiter verdichten.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Ionenstrahlquelle, die plasmaein grenzende Mittel zum Eingrenzen eines Plasmas innerhalb eines Plasmavolumens umfasst. Induktive Ionisierungsmittel koppeln einen ersten Wechselstrom induktiv mit dem Plasma, um das Plasma in dem Plasmavolumen zu ionisieren. Vorzugsweise liefert ein Mittel zur Erzeugung eines beweglichen Magnetfeldes eine resonante Verdichtung und Homogenisierung des ionisierten Plasmas in dem Plasmavolumen. Ionenextraktionsmittel bilden aus dem Plasmavolumen einen Ionenstrom.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Eingrenzen eines Plasmas in einem Plasmavolumen, induktives Ionisieren des Plasmas und Bilden eines Ionenstroms aus dem Plasmavolumen durch kapazitives Koppeln des Plasmas mit einem Extraktionsgitter ein Ionenstrom erzeugt. Diese kapazitive Kopplung spannt das Plasma relativ zu dem Gitter selbst vor und kann zum Erzeugen eines quasineutralen Plasmastroms verwendet werden. Allgemein wird ein transversales Magnetfeld angelegt, um das Plasma durch Unterstützen der resonanten induktiven Ionisierung zu verdichten. Ideal wird das Magnetfeld durch das Plasmavolumen bewegt, um das Plasma und den Plasmastrom zu homogenisieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnittsansicht einer magnetischen Aufzeichnungsplatte, die die tetraedrische amorphe hydratisierte Kohlenstoffschutzschicht der vorliegenden Erfindung enthält.
1A und 1B veranschaulichen die Wirkungen einer Stickstoffdotierung auf den tetraedrischen amorphen hydratisierten Kohlenstoff der vorliegenden Erfindung.
2 veranschaulicht schematisch ein Verfahren zur Abscheidung des hochtetraedrischen amorphen hydratisierten Kohlenstoffs über der Platte aus 1 und zeigt außerdem eine induktive/kapazitive Hybridplasmastrahlquelle gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
2A ist eine Querschnittsansicht der Hybridquelle aus 2, die die induktive Ionisierungsantenne und die Spulen zur Erzeugung eines quasistatischen Magnetfeldes, die das Plasma verdichten und homogenisieren, zeigt.
3A veranschaulicht ein alternatives Verfahren und System zur Abscheidung von hochtetraedrischem amorphem hydratisiertem Kohlenstoff über der Platte aus 1 unter Verwendung eines Acetylenplasmas aus einer Plas mastrahlquelle.
3B und 3C veranschaulichen die kapazitive Kopplung des Plasmas zum Extrahieren eines Ionenstroms unter Verwendung der Plasmastrahlquelle aus 3A.
3E und 3F veranschaulichen Betriebseigenschaften von Plasmastrahlquellen zur Abscheidung von diamantähnlichem Kohlenstoff.
4A und 4B veranschaulichen die bekannte resonante induktive Ionisierung eines Plasmas mit einem festen Magnetfeld.
4C und 4D erläutern die durch Elektronenzyklotronwellenresonanz gelieferte Verdichtung des Plasmas.
6A–8 zeigen experimentelle Daten, wie sie ausführlich in dem experimentellen Abschnitt beschrieben sind.
BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie nun in 1 gezeigt ist, umfasst eine starre magnetische Aufzeichnungsplatte 2 ein nicht magnetisches Plattensubstrat 10, das typisch aus einer Aluminiumlegierung, aus Glas, aus Keramik, aus einem Glaskeramikverbundwerkstoff, aus Kohlenstoff, aus einem Kohlenstoffkeramikverbundwerkstoff oder dergleichen besteht. Über jeder Oberfläche des Plattensubstrats 10 ist typisch durch Plattieren eine amorphe Nickel-Phosphor-Schicht (Ni-P-Schicht) 12 gebildet. Die Ni-P-Schicht 12 ist hart und verleiht dem Aluminiumlegierungssubstrat 10 Starrheit. Über der Ni-P-Schicht 12 ist typisch durch Zerstäuben eine Chrombodenschicht 14 und über der Bodenschicht 14 eine Magnetschicht 16 gebildet. Es wird angemerkt, dass diese Schichten nur schematisch gezeigt sind, da die Ni-P-Schicht 12 typisch viel dicker als die anderen Schichten ist.
Die Magnetschicht 16 umfasst einen Dünnfilm aus einem ferromagnetischen Material wie etwa aus einem magnetischen Oxid oder aus einer magnetischen Legierung. Die Magnetschicht 16 ist typisch auf herkömmliche Weise über der Bodenschicht 14 zerstäubt. Die Magnetschicht 16 besteht häufig aus einer Kobaltlegierung wie etwa CoCrTaPtB, CoCrPtB, CoCrTa, CoPtCr, CoNiCr, CoCrTaXY (wobei X und Y aus Pt, Ni, W, B oder anderen Elementen ausgewählt sind) oder dergleichen. Die Magnetschicht 16 kann als eine Einzelschicht gebildet sein oder zwei oder mehr übereinander gebildete Schichten umfassen. Die Dicke der Magnetschicht 16 liegt typisch im Bereich von etwa 20 nm bis 80 nm (200 Å bis 800 Å).
Von besonderer Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist eine Schutzschicht 18, die über der Magnetschicht 16 gebildet ist. Die Schutzschicht 18 der vorliegenden Erfindung umfasst allgemein einen hochtetraedrischen amorphen Kohlenstoff, der typisch mehr als etwa 70 % sp³-Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen aufweist, wie sie unter Verwendung einer Raman-Fingerabdruck- und Elektronenenergieverlustspektroskopie gemessen werden. Zusammen mit dem Kohlenstoff enthält die Schutzschicht 18 auch Wasserstoff, der im Bereich von etwa 6 bis 18 Atom-% des Schutzmaterials gebildet ist. Über der Schutzschicht 18 ist eine herkömmliche Schmierschicht 20 angeordnet.
Obgleich bekannt ist, dass Wasserstoff den Prozentsatz der sp³-Bindung von durch bekannte Abscheidungsprozesse aus der Gasphase erzeugtem diamantähnlichem Kohlenstoff erhöht, enthält die Schutzschicht 18 allgemein erheblich weniger Kohlenstoff als vergleichbare bekannte diamantähnliche Filme. Dieser Unterschied in der Zusammensetzung kann teilweise durch die Bildung von sp³-Bindungen durch Subplantation der energetischen Kohlenstoffionen während der Abscheidung erläutert werden. Die unter Verwendung der im Folgenden beschriebenen Verfahren abgeschiedenen energetischen Ionen schlagen effektiv auf die wachsende Filmoberfläche auf und werden in den Film getrieben, so dass sie eine Verdichtung verursachen. Dieser Prozess kann auch erklären, weshalb die Schutzschicht 18 der vorliegenden Erfindung einen höheren Prozentsatz quartärer Kohlenstoffstellen (sp³-Kohlenstoffstellen ohne Wasserstoffnachbarn) und eine größere Härte als bekannte alternative amorphe Kohlenstoffmaterialien enthält.
Die Mikrostruktur herkömmlicher hydratisierter amorpher Kohlenstoffe enthält polymerähnliche Kohlenwasserstoffketten. Obgleich Wasserstoff die Bildung von tetraedrisch gebundenen Kohlenstoffatomen verstärkt, werden die Kohlenstofffilme über einem bestimmen Schwellenwert an Wasserstoffgehalt polymerisch und verlieren somit ihre Schutzeigenschaften. Die Materialien der vorliegenden Erfindung überwinden diese Beschränkung durch Subplantation. Da die Subplantation die Bildung von sp³-Bindungen unterstützt, ohne sich allein auf einen zusätzlichen Wasserstoffgehalt zu stützen, kann die Polymerisation vermieden werden. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber bekannten, höher hydratisierten diamantähnlichen Kohlenstoffmaterialien dar, in denen die Polymerisierung sowohl die thermische als auch die mechanische Stabilität erheblich begrenzt. Demgegenüber sind die Kohlenstoff-Kohlenstoff-sp³-Bindungen der Mate rialien der vorliegenden Erfindung allgemein bis zu Temperaturen von etwa 700 °C stabil, so dass ein erhöhter Prozentsatz von sp³-Bindungen mit einem niedrigen Wasserstoffgehalt einen erheblichen Vorteil darstellt.
Optional können die Filme der vorliegenden Erfindung auch stickstoffhaltig sein. Im Gegensatz zu bekanntem hydratisiertem Wasserstoff kann die elektrische Leitfähigkeit des vorliegenden hochtetraedrischen amorphen Kohlenstoffs durch die wahlweise Integration von Stickstoff während des im Folgenden beschriebenen C₂H₂-Plasmastrahlabscheidungsprozesses über einen weiten Bereich steuerbar geändert werden. Vorteilhaft wird diese Änderung geschaffen, ohne die Struktureigenschaften des Films erheblich zu ändern. Bei herkömmlichem hydratisiertem Kohlenstoff kann der Stickstoffeinbau mit der Bildung von sp²-Bindungen in Zusammenhang gebracht werden. Dies ist offensichtlich durch Änderungen der mechanischen und optischen Eigenschaften der abgeschiedenen Filme, für die die Härte und die optische Lücke mit dem Stickstoffgehalt abnehmen. Bei den vorliegenden Filmmaterialien und Abscheidungsverfahren wird ein klassischer Dotierungseffekt beobachtet, in dem die elektrische Leitfähigkeit, wie in den 1A und 1B gezeigt ist, um so viel wie 5 Größenordnungen oder mehr steuerbar geändert werden kann. Durch Änderung des Stickstoffdrucks in einem Plasmavolumen aus einer acetylengespeisten Plasmastrahlquelle kann eine Dotierung geliefert werden, um typisch Filme mit mindestens etwa 4 Atom-% Stickstoff zu erzeugen. Der Dotierungseffekt von hochtetraedrischem amorphem Kohlenstoff und hydratisiertem Kohlenstoff findet besondere Anwendung für die Herstellung integrierter Schaltungen und dergleichen.
Die hochtetraedrischen amorphen Kohlenstoffmaterialien der vorliegenden Erfindung schaffen auch eine Anzahl von Vorteilen gegenüber bekannten Schutzschichten für Aufzeichnungsmedien. Die Bindungsstruktur dieses Materials schafft physikalische Eigenschaften, die sich jenen von Diamant annähern, einschließlich einer Härte von über etwa 50 GPa, wobei bestimmte Arten eine Härte von bis etwa 80 GPa haben. Außerdem haben die vorliegenden Schutzüberzüge eine hohe Dichte von allgemein mehr als 2,5 Gramm pro Kubikzentimeter und sind auch chemisch sehr träge.
Von besonderer Bedeutung für Aufzeichnungsmedien ist, dass diese Beschichtungen bei sehr niedriger Dicke glatt und zusammenhängend (fehlstellenfrei) sind und eine dauerhafte Schutzschicht schaffen, wenn sie bis zu einer Dicke von weniger als 7,5 nm (75 Å), vorzugsweise weniger als 5 nm (50 Å) dick, abge schieden werden. Tatsächlich können Filme von über 15 nm (150 Å) anfälliger für Abblättern sein, wobei die Oberflächenrauigkeit mit der Dicke zunehmen kann. Die durch diese Materialien geschaffenen Oberflächen mit hoher mechanischer Härte und niedriger Reibung führen zu einer verbesserten tribologischen Leistungsfähigkeit, wobei Aufzeichnungsmedien geschaffen werden, die hochtolerant gegenüber dem mechanischen Verschleiß und Kontakt-Start/Stopp-Anforderungen moderner Aufzeichnungsmediensysteme sind und durch den verringerten Abstand zwischen der Lese/Schreib-Schicht und der Magnetschicht eine erhöhte Flächendichte ermöglichen. Dieser Abstand kann entweder durch eine Verringerung der Schutzschichtdicke oder durch eine Verringerung der Kopfgleithöhe und vorzugsweise durch eine Verringerung beider verringert werden. Die Schutzschicht 18 liegt allgemein im Bereich von etwa 3 nm (30 Å) bis 7 nm (70 Å), was ermöglicht, dass die Platte Dauerhaftigkeits- und Stiction-Test-Anforderungen der Aufzeichnungsmedienindustrie erfüllt.
Die Zusammensetzung und Charakterisierung des Schutzfilms der vorliegenden Erfindung hängen stark von dem Abscheidungsverfahren ab und hängen insbesondere stark von der Energie und Gleichförmigkeit der Kohlenstoffionen ab, die auf die Abscheidungsoberfläche auftreffen.
Anhand der 2 und 2A werden ein beispielhaftes System und Verfahren zur Abscheidung einer Schutzschicht 18 auf einer starren Aufzeichnungsplatte 2 beschrieben. Allgemein enthält die Hybridionenstrahlquelle 30 ein induktives Ionisierungssystem 32, ein System 34 für ein quasistatisches Magnetfeld und ein kapazitives Ionenstrahlanregungssystem 36.
Allgemein gesagt, ionisiert das Induktionssystem 32 ein Plasma 38. Die Energieübertragung zwischen dem Induktionssystem 32 und dem Plasma 38 wird durch ein transversales Magnetfeld, das durch ein System 34 für ein quasistatisches Feld erzeugt wird, stark verbessert und homogenisiert. Die Abscheidungsionen des Plasmas 38 werden unter Verwendung des kapazitiven Kopplungssystems 36 tatsächlich auf die Aufzeichnungsplatte 2 (oder auf irgendein anderes Substrat, auf dem eine Abscheidung erwünscht ist oder von dem ein Ätzen ausgeführt wird) ausgerichtet.
Obgleich die Hybridquelle 30 ein besonders vorteilhaftes System für die Abscheidung der Schutzbeschichtung 18 schafft, können außerdem eine Vielzahl alternativer Abscheidungssysteme verwendet werden. Da ein Plasmastrahlquellen-Abscheidungssystem eine Anzahl gemeinsamer Merkmale mit der Hybrid quelle 30 besitzt, aber einfacher im Betrieb ist, wird anhand der 3A–3F die Abscheidung von diamantähnlichem Kohlenstoff unter Verwendung einer Plasmastrahlquelle 50 beschrieben, wonach weitere Aspekte der Hybridquelle 30 ausführlicher erläutert werden.
Nunmehr wird anhand von 3A die Verwendung der Plasmastrahlquelle 50 zur Abscheidung von Kohlenstoff allgemein anhand der Abscheidungsschutzschicht 18 auf dem magnetischen Aufzeichnungsmedium 2 beschrieben. Wie oben erläutert wurde, besitzen diese Kohlenstoffabscheidungssysteme und -verfahren eine breite Vielfalt alternativer Verwendungen, insbesondere auf den Gebieten der Fertigung integrierter Schaltungen, der Optik und der Werkzeugmaschinen.
Die Plasmastrahlquelle 50 enthält ein Plasmagehäuse 52, das darin ein Plasmavolumen 54 definiert. Das Gehäuse 52 ist typisch ein Glasrohr mit einem Durchmesser von 8 cm oder kann alternativ Quarz oder dergleichen umfassen. Eine Kopplungselektrode 58 mit einer verhältnismäßig großen Oberfläche 58 bildet hier ein Ende des Gehäuses 52. Alternativ kann die Kopplungselektrode 58 innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 52 angeordnet sein und optional axial entlang der Wände des Gehäuses 52 verlaufen. Ungeachtet dessen ist die Kopplungselektrode 56 allgemein elektrisch mit dem Plasma, mit einem Anpassungsnetz 60 und mit einer Radiofrequenzkopplungs-Spannungsversorgung 62 gekoppelt. Das Plasmakopplungssystem 36 enthält eine Kopplungselektrode 58, den Frequenzgenerator und das Anpassungsnetz 60, 62 sowie ein Extraktionsgitter 64. Das Extraktionsgitter 64 ist typisch wie gezeigt geerdet.
Wie umfassender im US-Patent Ifd. Nr. 5.156.703 erläutert ist, besitzt das Extraktionsgitter 64 eine viel größere zu dem Plasma freiliegende Oberfläche als die Kopplungselektrode 58. Im Betrieb wird durch den Frequenzgenerator über das Anpassungsnetz 80 und einen Kondensator RF-Leistung, typisch mit etwa 13,56 MHz, an die Kopplungselektrode 58 geliefert. Die Frequenz ist häufig durch staatliche Vorschriften festgesetzt und kann alternativ etwa 27,12 MHz oder ein anderes Vielfaches davon betragen. Das Extraktionsgitter 64 umfasst typisch einen Graphitrand 86, der eine Öffnung definiert, sowie Wolframfäden, die unter Spannung gehalten sind. Somit widersteht das Extraktionsgitter 64 irgendeiner Verwindung durch thermische Ausdehnung. In den Fäden können eine Anzahl alternativer Materialien verwendet werden, wobei die Fadenmaterialien vorzugsweise eine niedrige Zerstäubungsausbeute haben.
Allgemein wird der Innendruck in dem Plasmavolumen 54 durch Entfernen von Gas durch den Vakuumanschluss 68 verringert. Obgleich der Vakuumanschluss hier hinter dem Gitter gezeigt ist, ist er vorzugsweise zwischen dem Gitter 64 und der Platte 2 angeordnet. Wenn ein Plasma zwischen der Kopplungselektrode 56 und dem Extraktionsgitter 64 gestoßen wird, verschiebt sich das Plasma wegen der relativen Beweglichkeit der Elektronen im Vergleich zu den Ionen in dem Plasma vorteilhaft auf ein positives Gleichspannungspotential in Bezug auf das Extraktionsgitter 64. Genauer veranlasst die höhere Beweglichkeit der Elektronen als die der Ionen in dem Plasma, dass das Plasma eine Raumladungsschicht zwischen sich und jeder Elektrode 56, 64 bildet. Die Raumladungsschicht wirkt wie Dioden, so dass das Plasma eine positive Gleichspannungs-Vorspannung in Bezug auf jede Elektrode 56, 64 erlangt.
Das Gesamtradiofrequenzpotential V₀ ist zwischen den Raumladungsschichten, die an die gespeiste Elektrode und an die geerdete Elektrode angrenzen, gemäß ihren jeweiligen Kapazitäten geteilt. Da die Extraktionselektrode 64 geerdet ist, ist die Spannung des Plasmas selbst durch die Gleichung V = V0(Ce/Cg + Ce))gegeben, wobei C_e die Kapazität der Kopplungselektrode 58 ist, während C_g die Kapazität des Extraktionsgitters 64 ist.
Wenn die Extraktionselektrode 64 geerdet ist, spannt diese Plasmaspannung das Plasma relativ zu dem Gitter 84 vor, wobei sie die Ionen durch das Extraktionsgitter 64 und zu dem Substrat beschleunigt. Wie aus der obigen Gleichung bestimmt werden kann, ermöglicht die Plasmastrahlquelle 50, dass die Vorspannung wahlweise gesteuert wird, was einen sehr vorteilhaften Mechanismus zum Steuern der Ionenaufschlagenergie schafft.
Da sich die Kapazität invers zur Fläche ändert, kann die Größe der Vorspannung an jeder Elektrode 58, 64 durch Ändern der Elektrodenflächen gesteuert werden. Da das Extraktionsgitter 64 eine viel kleinere Fläche als die Kopplungselektrode 56 hat, ist die Vorspannung des Plasmas relativ zu der Kopplungselektrode 56 verhältnismäßig niedrig, so dass die Quelle 50 eine recht effiziente Verwendung des Quellgasmaterials schafft, das allgemein durch den an die Kopplungselektrode 56 angrenzenden Quelleinlass 70 geliefert wird. Obgleich bei höheren Spannungseinstellungen etwas Material an den Gehäusewänden abgeschieden wird, kann die Verwendung der Plasmastrahlquelle 50 in einem Ätzmodus die Selbstreinigung ermöglichen.
Die Beziehung des Elektronenstroms, des Ionenstroms und des Radiofrequenzpotentials ist in 3B veranschaulicht. In 3C ist ein vereinfachter Stromlaufplan für die Analyse des Plasmas, der Extraktionsgitter-Raumladungsschicht und der Kopplungsgitter-Raumladungsschicht gezeigt.
3E zeigt Änderungen des Ionenstroms und der mittleren Ionenenergie mit der Elektrodenposition D für einen Bereich von Radiofrequenzleistungen.
Die Ionenenergie hängt von mindestens zwei Faktoren ab: von dem Beschleunigungspotential über die Gitter-Raumladungsschicht und von der durch Zusammenstöße mit der Raumladungsschicht verlorenen Energie. Die Wirkungen dieser Faktoren sind in 3F veranschaulicht.
Die Einfügung in 3F zeigt, dass die Ionenenergieverteilung des Plasmastrahls mit einer Breite von näherungsweise 5 % um die Vorspannung recht scharf ist. Offensichtlich entsteht die Schärfe aus mindestens zwei Gründen. Zunächst verlieren die Ionen wenig Energie in dem niedrigen Plasmadruck durch Zusammenstöße innerhalb der Raumladungsschicht. Zweitens ändert sich die Raumladungsschicht-Breite invers zur Quadratwurzel des Drucks, so dass die Raumladungsschicht bei niedrigen Drücken recht breit ist. Dort, wo die Ionendurchgangszeit durch die Raumladungsschicht länger als die Radiofrequenzperiode ist, können die Ionen eher durch die mittlere Spannung als durch die momentane Spannung beschleunigt werden. Außerdem wird festgestellt, dass sich die Ionenenergieverteilung linear mit dem Druck ändert, was angibt, dass die Ionenenergieverteilungsbreite hauptsächlich durch Ionenstöße in und über der Raumladungsschicht gesteuert wird.
Die Zerlegung oder Dissoziation von Kohlenwasserstoffen im Plasma 74 hängt stark von dem Quellgas, von dem Betriebsdruck und von der Gasfließgeschwindigkeit ab. Üblicherweise zeigen Kohlenwasserstoffplasmen ein breites Spektrum von Kohlenwasserstoffradikalen in einem ionisierten und/oder neutralen Zustand. Die Plasmazusammensetzung hängt von den verschiedenen chemischen Wegen in dem Plasma 74 ab und diese hängen von den Plasmaparametern wie etwa von der Elektronentemperatur, von der Elektronendichte und vom Ionisierungsgrad ab. Im Ergebnis können in dem Plasma 74 eine Anzahl verschiedener Ionen vorhanden sein, wobei sich die Zusammensetzung unter verschiedenen Bedingungen merklich ändern kann, was die gleichförmige Zerlegung homogener hydratisierter Kohlenstoffmaterialien recht problematisch macht.
Die Arbeit in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung hat gezeigt, dass Acetylen wegen seines verhältnismäßig einfachen Dissoziationsmusters ein sehr vorteilhaftes Quellgas liefert. Die Plasmazerlegung eines Moleküls kann hinsichtlich der Elektronen-Molekül-Zusammenstöße (primären Zusammenstöße) und der Ionen-Molekül-Zusammenstöße (sekundären Zusammenstöße) und ihrer zugeordneten Ratenkoeffizienten oder ihrer dazugehörenden Erscheinungspotentiale beschrieben werden. Die Dissoziation von Acetylen wird vorteilhaft durch seine Ionisierung bei einem Erscheinungspotential von 11,2 eV dominiert. Acetylen kann dadurch, dass es einen so gut definierten Reaktionsweg besitzt, eindeutig unter den Kohlenwasserstoffen sein.
Die Ionenzusammensetzung eines unter Verwendung eines Acetylenquellgases erzeugten Plasmastrahls erzeugt Massenspektren mit verschiedenen Plasmadrücken, die durch die C₂H₂ ⁺-Ionen und durch andere Kohlenwasserstoffionen mit zwei Kohlenstoffatomen, die gemeinsam als die C₂ Art bezeichnet werden, dominiert werden. Die zweitwichtigsten Ionen sind die C₄-Ionen, von denen ermittelt wurde, dass ihre Intensität abnimmt, während der Druck abgesenkt wird, wobei sie unter 5 % gehalten werden, falls der Druck unter 5·10^–5 mbar aufrechterhalten wird. Aus diesen Gründen wird die Kohlenstoffabscheidung unter Verwendung der Plasmastrahlquelle und der Hybridquelle der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Beschickungsmaterials ausgeführt, das Acetylen umfasst. Optional können auch N₂, NF₃ oder ein anderes Stickstoffbeschickungsmaterial aufgenommen werden, um stickstoffhaltige Filme zu liefern.
Der durch ein Plasmastrahl-Abscheidungssystem oder durch ein Hybridabscheidungssystem gelieferte Partikelfluss oder -strom besitzt allgemein einen höheren Ionisierungsgrad als herkömmliche Abscheidungstechniken. Die Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-sp³-Bindungen durch die Subplantationswirkung kann nur erheblich sein, falls ausreichend Ionen in dem Partikelstrom vorhanden sind. Vorzugsweise umfassen mindestens 15 % der Partikel Ionen. In einigen Ausführungsformen, insbesondere bei sehr niedrigen Abscheidungsdrücken, umfasst der filmbildende Partikelfluss mehr als 90 % Ionen.
Bei der Abscheidung unter Verwendung einer Plasmastrahlquelle beträgt die an die Kopplungselektrode gelieferte einfallende Leistung allgemein von etwa 50 bis 700 Watt, ideal von etwa 200 bis 300 Watt. Wo gegenüberliegende Seiten eines Substrats gleichzeitig beschichtet werden, können zwei Plasmastrahlquellen vorgesehen sein, die vorzugsweise unabhängige Radiofrequenzgeneratoren ha ben, die phasenangepasst sind und ideal in einer Master/Slave-Konfiguration synchronisiert sind. Die reflektierte Radiofrequenzleistung ist allgemein von 5 bis 70 Watt und sollte durch Wahl der richtigen Netzelemente minimiert werden.
An die magnetische Gehäusefeldspule, die dem Substrat am nächsten ist, kann ein Strom von 1 bis 8 Ampere, ideal etwa 7 Ampere, geliefert werden. Durch die äußere Feldspule fließen ein halbes bis 5 Ampere Strom, wobei der Strom die umgekehrte Polarität des Innenspulenstroms hat. Gasfließgeschwindigkeiten von 5 sccm bis 30 sccm reichen aus, um das Plasma mit der Gasfließgeschwindigkeit von ideal etwa 18 sccm aufrechtzuerhalten. Die Zündung des Plasmas wird dadurch erleichtert, dass ein Anfangsbündel von 40 bis 50 sccm N₂-Gas geliefert wird. Zur Stickstoffanreicherung des Films kann ein Stickstoffgasfluss aufrechterhalten werden.
Die Plasmastrahlquelle kann Ionen mit einer Energie von etwa 10 eV bis 500 eV abscheiden, wobei die optimale Energie für die Abscheidung von Kohlenstoff allgemein von 80 bis 120 eV pro Kohlenstoffatom ist. Der Wasserstoffgehalt kann etwa 8 bis 18 Atom-% sein, während Dotierungsmittelgase von 0,7 Atom-% bis 10 Atom-% liegen, wobei typische Dotierungsgase N₂ oder PH₃ enthalten. Durch die Plasmastrahlquellen-Abscheidungsverfahren können innerhalb der obigen Betriebsbereiche Kohlenstoffabscheidungsraten von 0,2 bis 1,2 nm (2 bis 12 Å) pro Sekunde, ideal von etwa 0,8 bis 0,9 nm (8 bis 9 Å) pro Sekunde, geliefert werden, um die höchstwertigen Filme zu liefern. Bei diesen Raten werden allgemein Abscheidungszeiten von etwa 6 bis 30 Sekunden verwendet, um eine ausreichende Schutzbeschichtung für magnetische Aufzeichnungsmedien zu schaffen. In Arbeit in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschreiben M. Weller u. a. die Vorbereitung und die Eigenschaften von hochtetraedrischem hydratisiertem amorphem Kohlenstoff, der unter Verwendung einer Plasmastrahlquelle abgeschieden wurde, in der Zeitschrift Physical Review B Bd.53, S. 1594-1608 (1998).
Obgleich die anhand von 3A beschriebenen Plasmastrahlquellen-Abscheidungssysteme und -Abscheidungsverfahren mehrere Vorteile haben einschließlich der Fähigkeit, die Ionenabscheidungsenergie und den Ionenabscheidungsfluss genau zu steuern, besitzen diese Plasmastrahlquellen einige Nachteile. Ein Hauptnachteil der Plasmastrahlquellenabscheidung ist, dass die kapazitiv gekoppelte Plasmadichte und somit die Abscheidungsrate verhältnismäßig niedrig sind. Um die Ionendichte zu erhöhen, wäre es nützlich, höhere Drücke in dem Plasmagehäuse zu liefern und das Plasma vorzugsweise bei einem Druck von 4 Pa (30 mTorr) oder mehr aufrechtzuerhalten. Leider neigt der Ionisierungskoeffizient dazu, bei diesen höheren Drücken abzufallen, wodurch die Gesamtplasmadichte begrenzt ist. Genauer ist es allgemein aus mindestens zwei Gründen vorteilhaft, niedrige Abscheidungsdrücke aufrechtzuerhalten. Zunächst nimmt der Anteil der Ionen in dem Partikelstrom mit zunehmenden Drücken ab. Grundsätzlich verringert die Gasstreuung bei höheren Betriebsdrücken die Ionenenergie und leitet sie ab. Tatsächlich ist die Abscheidung von hochtetraedrischem amorphem Kohlenstoff bei Drücken von über 4 Pa (30 mTorr) unter Verwendung des beispielhaften Systems problematisch, da Filme, die bei diesen Drücken abgeschieden werden, primär mit niederenergetischen Radikalen gebildet werden. Zweitens enthält der Partikelfluss zunehmend veränderliche Partikelmassen (C₂, C₄, C₆, C₈...), während die Drücke zunehmen. Da Partikel mit gleichförmigen Massen bevorzugt sind, findet die Plasmastrahlabscheidung vorzugsweise bei Drücken unter 0,133 Pa (1 mTorr), ideal bei einem Druck von etwa 0,013 Pa bis 0,064 Pa (0,1 bis 0,5 mTorr), statt. Dies begrenzt wiederum allgemein die Abscheidungsraten, die durch Plasmastrahlquellen und -verfahren erreicht werden können, die sich lediglich auf die kapazitive Kopplung stützen, um das Plasma aufrechtzuerhalten.
Die Hybridstrahlquelle der vorliegenden Erfindung hält vorteilhaft die Ionenenergiesteuerung der Plasmastrahlquelle aufrecht, liefert aber höhere Plasmadichten und verbesserte Zerlegungsraten, ohne sich auf Druckzunahmen zu stützen. Wieder anhand der 2 und 2A kombiniert die Hybridquelle 30 das induktive Ionisierungssystem 32 mit einem kapazitiven Kopplungssystem 36 (das ähnlich dem in den oben beschriebenen Plasmastrahlquellen verwendeten ist), um ein Plasma 38 mit hoher Dichte und niedrigem Druck zu liefern. Das induktive Ionisierungssystem wird wieder, hier anhand der 4A und 4B, getrennt erläutert.
Das induktive Ionisierungssystem 32 umfasst eine Wechselspannungs-Leistungsquelle 90, die Frequenzen grob im Radiofrequenz-Mikrowellenbereich erzeugen kann, wobei sie vorzugsweise ein Potential mit einer Frequenz von etwa 27,12 MHz (oder einem Vielfachen davon) liefert. Es ist wieder ein Frequenzanpassungsnetz 92 vorgesehen, wobei die Leistung hier aber unter Verwendung der um das Plasmagehäuse 52 angeordneten Antenne 94 mit dem Plasma gekoppelt wird. Dies minimiert vorteilhaft irgendeine Selbstvorspannung des Plasmas relativ zu der Antenne 94 und die Zerlegung der Quellmaterialien an den Wänden des Gehäuses selbst.
Das Plasma 74 kann in einer induktiven Entladung in einer nicht resonanten oder in einer resonanten induktiven Betriebsart angeregt werden. Vorzugsweise ist dem Plasmavolumen ein kleines magnetisches Gleichfeld überlagert, um durch einen Prozess, der allgemein als resonante Ionisierung beschrieben wird, eine verbesserte Ionenenergieübertragung und Plasmaverdichtung zu schaffen.
Die Antenne 94 kann als eine dielektrische Wand um die Achse des Plasmagehäuses 52 beschrieben werden. Alternativ kann die Antenne 94 als eine um das Plasma 74 angeordnete Einschleifen-Induktionsspule modelliert werden. Ungeachtet dessen bleibt das Potential des Plasmas 74 in Bezug auf die Gehäuseoberfläche niedrig, während die Plasmadichte recht hoch ist.
Die Antenne 94 umgibt typisch ein zylindrisches Plasmagehäuse 52 mit einer Länge von einem Drittel bis zum Dreifachen seines Durchmessers, wobei Länge und Durchmesser vorzugsweise nahezu gleich sind. Die Antenne 94 besteht aus einem Metallzylinder mit einem Längsschlitz. Das überlagerte statische Magnetfeld B ist allgemein senkrecht zur Achse des Plasmazylinders 52 und wird durch mindestens eine an das Plasmagehäuse 52 angrenzende Magnetspule 96 angelegt. Resonante Ionisierungspotentiale und Magnetfeldstärken sind umfassender beschrieben von Professor Oechsner in Plasma Physics, Bd.15, S. 835-844 (1974).
Der Mechanismus, der die Plasmaverdichtung liefert, ist offensichtlich eher die Elektronenzyklotronwellenresonanz (ECWR) als die verwandte, aber verschiedene Erscheinung der Elektronenzyklotronresonanz (ECR). Diese beiden Mechanismen können anhand der Dispersion der elektromagnetischen Welle, die sich parallel zu einem Magnetfeld ausbreitet, und genauer durch Analyse des Brechungsindex und der Ausbreitungsgeschwindigkeit (die hier die Phasengeschwindigkeit Vp ist) in Abhängigkeit von der Frequenz und von der Magnetfeldstärke verstanden werden. Bekanntlich hängen der Brechungsindex und die Ausbreitungsgeschwindigkeit wie folgt zusammen:
wobei n der Brechungsindex, c die Lichtgeschwindigkeit, ω die Frequenz der elektromagnetischen Welle und k der Betrag des Ausbreitungsvektors für die elektromagnetische Welle ist. Eine gewöhnliche Welle kann als eine Überlagerung einer rechts- und einer linksdrehend zirkular polarisierten elektromagnetischen Welle erläutert werden. Im Fall eines Plasmas sollten auch die verschiedenen Ladungen und Massen der Elektronen und Ionen betrachtet werden. Aus der rechts- und linksdrehend polarisierten Wellengleichung ergibt sich, dass eine Resonanzwirkung geliefert wird, wenn ω gleich der Zyklotronfrequenz ω_c ist. Unter diesen Bedingungen geht der Brechungsindex gegen unendlich, so dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit null ist. Diese Bedingung wird als ECR bezeichnet. Leider sind die der ECR zugeordneten Wellenlängen allgemein größer als die gewünschten Größen der vorliegenden Plasmagehäuse, so dass die praktische Anwendung der ECR zur Plasmaverdichtung schwierig ist.
Zum Glück liefert die ECWR einen alternativen Verdichtungsmechanismus, wenn ω kleiner als ω_c ist. Unter Vernachlässigung der Bewegung der Ionen wegen ihrer viel höheren Massen wird die Dispersionsbeziehung für die rechtsdrehend polarisierte Welle durch:
genähert, wobei ω_p die Plasmafrequenz ist. Allgemein ist eine Wellenausbreitung möglich, wenn die Phasengeschwindigkeit (und somit der Brechungsindex) positiv ist. Schematische Darstellungen des Brechungsindex eines kalten Plasmas und der Phasengeschwindigkeit eines kalten Plasmas (beide in Abhängigkeit von der Frequenz) sind in den 4C und 4D gegeben. Die Untersuchung dieser graphischen Darstellungen zeigt, dass beide unterhalb ω_c positiv sind. Tatsächlich erreicht der Brechungsindex für ein Ansteuerpotential mit einer Frequenz von 13,58 MHz Werte von über 100. Das heißt, dass die Wellenlängen in dem Plasma um 1/100 oder mehr verringert werden können. Falls die Wellenlänge auf die Abmessungen des Plasmagefäßes verringert werden kann, können in dem Plasma stehende Wellen erzeugt werden, die eine Resonanzwirkung liefern. Diese ECWR hängt von der Magnetfeldstärke sowie von den Plasmagehäuseabmessungen ab. Falls das vorliegende Plasmagefäß einen Durchmesser a hat, kann dieser Resonanzwirkung allgemein erreicht werden, falls:
ist. μ = 1, 2, 3,..., λ ist die Wellenlänge und k_r das resonante Magnetfeld. Die Resonanz kann durch Ändern des Brechungsindex des Plasmas abgestimmt werden. Für die ECWR soll berücksichtigt werden, dass der Brechungsindex für die rechtsdrehend polarisierte Welle sowohl von dem Magnetfeld als auch von der Plasmafrequenz abhängt. Die Änderung von n_r mit der Plasmafrequenz verkompliziert diese Abstimmung etwas, da die Plasmafrequenz selbst von der Plasmadichte abhängt, die sich wiederum mit dem Grad der Anregung des Plasmas ändert.
Es ist möglich, die Verdichtungswirkungen der induktiven Ionisierung an Niederdruckplasmen mit der Ionenstrahlextraktion mit kapazitiver Kopplung der Plasmastrahlquelle zu kombinieren, um die Abscheidungsraten stark zu erhöhen. Leider erzeugt die induktive Ionisierung im Allgemeinen keine gleichförmige Plasmadichte. Somit erzeugt ein solches Hybridabscheidungssystem ohne weitere Änderung einen ungleichförmigen Ionenstrom und Abscheidungsprozess. Aus diesen Gründen schafft die vorliegende Erfindung, wie anhand der 2 und 2A erläutert wird, weiterhin ein quasistatisches resonantes Ionisierungsmagnetfeld.
Noch einmal anhand von 2A nutzt die Hybridquelle 30 ein Plasma, das kapazitiv gekoppelt ist, um einen Strom von Plasmaionen durch das Extraktionsgitter 64 zu liefern. Um eine effektive kapazitive Kopplung zu unterstützen, wird das Plasma bei einem verhältnismäßig niedrigen Druck, vorzugsweise unter 0,133 Pa (1 mTorr), aufrechterhalten. Um die Dichte des Plasmas zu erhöhen, wird unter Verwendung der Antenne 94 des induktiven Kopplungssystems 32 lokal eine induktive Leistungsübertragung erreicht. Das Gleichspannungsplasma potentiell von der kapazitiven Kopplung und somit die Ionenbeschleunigungsenergie sind typisch an allen Oberflächen etwa 20 bis 40 Volt. Vorteilhaft kann die Ionenenergie wie oben beschrieben durch Ändern der Gleichspannungs-Vorspannung des Extraktionsgitters 64 wahlweise gesteuert werden. Eine ähnliche Kombination aus induktiver und kapazitiver Kopplung wurde zur Zerstäubungsbehandlung dielektrischer Proben von Dieter Martin in einer Dissertation von 1995 für die Universität Kaiserslautern, Fachbereich Physik, Deutschland, beschrieben. Dieser Literaturhinweis erläutert umfassender die unabhängige Änderung der Ionenenergie und der Ionenstromdichte ähnlich der, die in dem Hybridabscheidungssystem der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Die Ionen-/Radialflüsse aus der Hybridquelle 30 können unter Verwendung des induktiven Kopplungssystems 32 erhöht werden. Um den durch die Hybridquelle 30 erzeugten Ionenstrom zu homogenisieren, wird durch das System 34 zur Erzeugung eines quasistatischen Magnetfeldes ein langsam bewegliches resonantes Ionisierungsmagnetfeld angelegt.
Das bevorzugte System zur Erzeugung eines quasistatischen Magnetfeldes nutzt eine Mehrzahl von Spulen 96, die radial um das Plasmaeinschließungsvolumen angeordnet sind. Der Felddreher 100 regt die Spulen 96 wahlweise in gegenüberliegenden Paaren an, um über das gesamte Plasma ein recht gleichförmiges Magnetfeld anzulegen. Die gegenüberliegenden Spulen 96 werden in der gleichen Richtung, aber nur kurz, angeregt, wonach ein alternatives Paar transversaler Magnetspulen 96 angeregt werden, um ein Magnetfeld B₂ anzulegen. Anschließend können die ursprünglichen Spulen 96 erneut, aber mit der entgegengesetzten Polarität, angeregt werden, so dass das Magnetfeld B₃ und daraufhin das Feld B₄ erzeugt wird.
Der Felddreher 100 erzeugt ein Magnetfeld, das effektiv mit einer Rotationsfrequenz, die viel kleiner als die Ansteuerfrequenz des induktiven Kopplungssystems 32, allgemein kleiner als 10.000 Hz und häufig kleiner als 100 Hz, ist, durch das Plasmaeinschließungsvolumen rotiert. Somit schafft das rotierende Magnetfeld eine resonante Verstärkung der induktiven Kopplung eines wahrhaft statischen resonanten Feldes. Allerdings verdichtet die Rotation des Magnetfeldes ein viel breiteres Gebiet des Plasmas und liefert dadurch einen viel homogeneren Ionenstrom. Außerdem kann das bewegte Magnetfeld auch das Plasma durch eine Rührwirkung weiter verdichten, was die Zusammenstöße zwischen den energetischen Plasmapartikeln erhöht, um eine noch weitere Erhöhung der Zerlegungsrate und Energieübertragungseffizienz zu schaffen.
Eine typische Hybridquelle 30 hat ein Gehäusevolumen mit einem Innenradius von etwa 5 cm und eine Länge zwischen der Kopplungselektrode und dem Extraktionsgitter von etwa 8 1/2 cm. Eine solche Hybridquelle erfordert bei der Ansteuerung mit einer Frequenz von etwa 13,56 MHz (oder einem Vielfachen davon) eine Ionisierungsenergie von etwa 100 bis 1000 Watt. Selbstverständlich können im Umfang der vorliegenden Erfindung eine breite Vielfalt alternativer Gehäusegeometrien und -größen vorgesehen sein.
Bei Verwendung der Hybridquelle 30 zur Abscheidung oder Ätzung werden das Plasmagehäuse und das Abscheidungsgefäß, das das Substrat umgibt, vorzugsweise mit verhältnismäßig hoher Geschwindigkeit von etwa 2000 Litern pro Sekunde entleert. Der Umgebungsdruck während der Abscheidung wird vorzugsweise bei etwa 50 mPa (5·10^–4 mbar) gehalten. Noch einmal wird einem stationären Fluss des Quellgases ein kurzes Bündel von N₂-Gas überlagert, um das Auftreffen auf das Plasma zu erleichtern, wobei dort, wo eine Stickstoffanreicherung erwünscht ist, ununterbrochen ein Gas geliefert werden kann, das Stickstoff umfasst. Ein Bündel in der Größenordnung weniger Millisekunden reicht, während alternativ mit ähnlichen Ergebnissen eine Hochspannungsimpuls-Schlagschaltung verwendet werden kann. Die Ionenstromdichten sind im Wesentlichen höher als die 0,1 bis 0,7 mA/cm², die von Plasmastrahlquellen geliefert werden, und können Kohlenstoffabscheidungsraten von etwa 2 bis 10 nm (20 bis 100 Å) pro Sekunde liefern.
Obgleich die Hybridquelle 30 eine bevorzugte Ausführungsform ist, können eine breite Vielfalt alternativer Systeme ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel kann das bewegte Magnetfeld durch mechanisches Drehen einer oder mehrerer Spulen um das Plasmagehäusevolumen geliefert werden.
EXPERIMENTELL
Auf Aluminiumsubstraten wurden über einer Magnetschicht unter Verwendung gegenüberliegender Plasmastrahlquellen und von Acetylenplasmen Filme abgeschieden. Die Abscheidungsbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Diese Bedingungen gaben in einem gut definierten Energiefenster ein hochionisiertes Plasma und eine Ionenstrahlenergie von etwa 120 eV/C-Ion.
TABELLE 1
Die Acetylen-Gasfließgeschwindigkeit wurde (durch eine elektronische Steuereinheit) in der Weise voreingestellt, dass eher eine diamantähnliche Bindung in den ta-C:H-Kohlenstofffilmen unterstützt als die Abscheidungsrate optimiert wurde. Die Gasfließgeschwindigkeiten sind in Standard-Kubikzentimetern pro Sekunde (sccm). Die passiven Elemente der Anpassungsnetzschaltung wurden vorabgestimmt, um das Verhältnis P_ref/P_in (reflektierte Leistung gegenüber eingegebener Leistung) bei der oben erwähnten Acetylenfließgeschwindigkeit zu minimieren.
Der Ratenphasenzustand wurde unter Verwendung eines kurzen Bündels N₂-Gas (das weniger als 0,1 s dauerte) ausgelöst, das dem stationären Fluss von C₂H₂ überlagert wurde. Der Druck der Kammer lag während der Abscheidung im Gebiet von 50 mPa (5·10^–4 mbar). Es wurden texturierte und untexturierte glatte Platten beschichtet, wobei die Kohlenstoffbeschichtungen unter Verwendung der Ellipsometrie, der Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) und des Raman-Fingerabdrucks charakterisiert wurden. Die texturierten Platten wurden unter Verwendung eines herkömmlichen Schmierprozesses geschmiert und Schleifbandtests sowie beschleunigten Start-Stopp-Tests ausgesetzt.
Tabelle II fasst die Änderung der physikalischen Eigenschaften der Filme in Abhängigkeit von der Dicke zusammen. Die durchschnittliche Ionenenergie pro Kohlenstoffion wurde gleichförmig bei etwa 100 eV aufrechterhalten. Die räumliche Homogenität der Filme ist sowohl in radialen als auch in Winkelpositionen geeicht. Allgemein sind die G-Spitze und die D-Spitze V-Spitzenpositionen in der Raman-Spektroskopie, während die zugeordneten Δ-Werte Spitzenbreiten beschreiben. Die Selket-Spannung ist die Ausgangsspannung eines Lichtsensors für die von Selket Co. hergestellte Schleifabriebtestanordnung. Je höher die Ausgangsspannung ist, desto schwerer ist der Verschleiß.
TABELLE II
Eine erwähnenswerte Beobachtung aus den Raman-Spektren ist die Zunahme sowohl der Position der G-Spitze als auch des Verhältnisses I_d/I_g (des Flächenverhältnisses der D- und der G-Spitze) mit zunehmender Filmdicke. Dies zeigt, dass der Prozentsatz des C-C-sp³-Gehalts im Grundmaterial der Filme mit abnehmender Dicke zunimmt. Außerdem nimmt in dem beobachteten Bereich die D-Spitzen-Bandbreite mit abnehmender Filmdicke zu. Die Bandbreite der D-Spitze in den optimierten Filmen ist über 150 cm^–1, was sehr niedrige Pegel (oder die Abwesenheit) einer Graphitphasen-Clusterung innerhalb der diamantähnlichen amorphen Kohlenstoffmatrix angibt. Dieses Ergebnis ist konsistent mit der verhältnismäßig hohen Plasmonen-Spitze, die aus der Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) gemessen wurde. Die Plasmonenspitze ist die Energie einer ein Plasmon genannten Anregungsart. Sie ist ein Quant der Schwingung der geladenen Partikelwolke. Der Energiewert hängt direkt mit der Dichte der geladenen Partikel (z. B. Elektronen) zusammen.
Die Plasmonenspitze E_p repräsentiert die Dichte der Filme. Wenn das E_p des Diamants als 34 eV genommen wird, wird somit geschätzt, dass die am meisten diamantähnlichen ta-C:H-Filme über 80 % C-C-sp³-Bindung haben (dies ist unabhängig davon, ob es eine langreichweitige Ordnung gibt oder nicht).
Die Platten wurden unter einer breiten Vielfalt von RF-Leistung und Gasbeschickungsmaterial-Fließgeschwindigkeiten mit ta-C:H-Filmen beschichtet. Diese Filme wurden daraufhin unter Verwendung eines herkömmlichen beschleunigten Kontakt-Start/Stopp-(CSS-)Tests auf Reibungszunahme und Verschleißbeständigkeit getestet. Vor den Tests wurden die Platten geschmiert, wobei ermittelt wurde, dass die Schmierungsdichte zwischen 1,6-2,3 nm (16-23 Å) schwankt, was einem Kohlenstofffilm-Dickenbereich von 3 nm bis 15 nm (30 Å bis 150 Å) ent spricht. Jeder Test bestand aus 500 Zyklen, wobei die Platten auf beiden Seiten mit 300 min^–1 getestet wurden. Die gemittelten Reibungskoeffizienten (μ_s) sind in Tabelle III gegenüber der Dicke der Filme graphisch dargestellt. Es wurde ermittelt, dass die Änderung von μ_s zwischen 0,5 und 1,5 liegt, was einem Dickenbereich von 4 nm bis 15 nm (40 Å bis 150 Å) entspricht. Von den 16 Platten, die dem beschleunigten CSS-Test ausgesetzt wurden, haben alle bis auf eine bestanden.
TABELLE III
Außerdem wurden die Platten unter Verwendung eines gefilterten Katodenbogens mit hochtetraedrischem amorphem Kohlenstoff beschichtet. Anfangs wurden zwei Platten mit einem statischen Ionenstrom beschichtet, was Beschichtungen erzeugte, die sich von der Mitte zum Rand beträchtlich änderten. Unter Schätzung der Beschichtungsdicke unter Verwendung von Interferenzfarben und unter der Annahme eines Brechungsindex von 2,5 schwankten die Beschichtungsdicken mindestens zwischen 0,125 nm und 50 nm (1250 Å und 500 Å).
In den 6A und 6B sind Rohdaten von Selket-Schleiftests geben. Über die zwei 120-Sekundentests waren auf der Platte keine Trümmer zu sehen. Nach Abschluss der Tests war lediglich eine sehr dünne Verschleißspur zu finden.
Außerdem wurde die Spitzenreibung der Platten in Abhängigkeit von der Anzahl der Start/Stopp-Zyklen gemessen. Die Ergebnisse dieser Tests sind in 7 gegeben.
Die Raman-Spektren der Platten mit gefiltertem Katodenbogen wurden ebenfalls gemessen, wobei die Ergebnisse in 8 gegeben sind. Allgemein geben diese Ergebnisse an, dass unter Verwendung einer Katodenbogenquelle, die eine G-Spitze im Bereich von etwa 1518 und eine G-Breite von etwa 175 enthält, ein Film abgeschieden werden kann. Die Pseudobandlücke dieses Films scheint grob 1,68 eV zu sein, während der Brechungsindex näherungsweise 2,5 ist. Der komplexe Anteil des optischen Brechungsindex K scheint für den Film näherungsweise 0,08 zu sein.
Unter Verwendung einer gefilterten Katodenstrahlquelle wurde eine zusätzliche Platte, dieses Mal auf beiden Seiten, beschichtet. Durch Manipulation von Permanentmagneten, die auf beiden Seiten der Kammer angeordnet waren, wurde die Oberfläche des Substrats von dem Ionenstrom überstrichen. An das abgetastete Substrat wurde keine Vorspannung angelegt. Obgleich der Abtastmechanismus hier recht einfach war, wurde eine gleichförmigere Abscheidungsschicht geliefert.

Claims

Diamantähnlicher (diamantartiger), amorpher hochtetraedrischer Kohlenstoffilm (Kohlenstoffschicht), wobei der Film frei von Fehlstellen (Pin-holes) ist und Kohlenstoff im Bereich von 72 bis 92 Atom-% und Wasserstoff im Bereich von 8 bis 18 Atom-% aufweist und eine Dicke von weniger als etwa 7,5 nm (75 Å) aufweist, wobei 70 bis 85% der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen des Films sp³-Bindungen sind.
Kohlenstoffilm nach Anspruch 1, wobei der Film eine Dicke von weniger als 5,0 nm (50 Å) aufweist.
Kohlenstoffilm nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Film mindestens 4 Atom-% Stickstoff aufweist.
Verfahren zur Abscheidung bzw. Auftragung von diamantähnlichen, amorphen hochtetraedrischen Kohlenstoffilmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 auf einem Substrat, wobei das Verfahren umfaßt: – induktive Ionisierung von Acetylen zur Bildung eines Plasmas; – Eingrenzung des Plasmas in einem Plasmavolumen; – kapazitive Kopplung des Plasmas zwischen einer Kopplungselektrode und einer Extraktionselektrode zur Bildung eines aus dem Plasmavolumen hinausfließenden Stroms, wobei der Strom Kohlenstoffionen aus dem Plasma enthält; und – Ausrichtung des Stroms auf das Substrat.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Aufschlagenergie (Einschlagenergie) für jedes Kohlenstoffatom 57 bis 130 eV beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Aufschlagenergie für jedes Kohlenstoffatom 80 bis 120 eV beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Verfahren weiterhin die Bewegung eines Magnetfeldes durch das Plasmavolumen zur Unterstützung auch einer resonanten induktiven Ionisierung und zur Homogenisierung des Ionenstroms umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Bewegung des Magnetfelds eine selektive Anregung von um das Plasmavolumen angeordneten Magnetspulen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Magnetfeld durch das Plasmavolumen mit einer Frequenz rotiert, welche viel kleiner als die Frequenz eines alternierenden Induktionspotentials ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Magnetfeld transversal verläuft und um eine Achse, welche im wesentlichen senkrecht zu einem kapazitiv gekoppelten Extraktions- bzw. Auslaßgitter ist, rotiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Magnetfeld mit einer Frequenz von weniger als 10 kHz rotiert.
Ionenstrahlquelle (30, 50) zur Abscheidung bzw. Auftragung von diamantähnlichen, amorphen hochtetraedrischen Kohlenstoffilmen (18) auf einem Substrat (2), wobei die Ionenstrahlquelle umfaßt: – ein Gehäuse (52), welches ein plasmaeingrenzendes Volumen (54) definiert, wobei das Gehäuse (52) eine Öffnung aufweist; – eine Antenne (94), welche um das Plasmavolumen (54) angeordnet ist, so daß das Anlegen bzw. die Applikation eines ersten alternierenden Potentials an dieser Antenne (94) zu einer induktiven Ionisierung eines darin befindlichen Plasmas (38, 74) führt; und – eine Extraktionselektrode (64), welche ein Gitter umfaßt und über der Öffnung des Gehäuses (52) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenstrahlquelle (30, 50) auch eine Kopplungselektrode (56) aufweist, welche dem Plasmavolumen (54) ausgesetzt und elektrisch mit dem Plasmavolumen (54) gekoppelt ist; und daß die Extraktionselektrode (64) eine Oberfläche aufweist, welche im wesentlichen kleiner als die Oberfläche der Kopplungselektrode ist, so daß das Anlegen eines zweiten alternierenden Potentials zwischen der Kopplungselektrode (56) und der Extraktionselektrode (64) imstande ist, Ionen des Plasmas durch das kapazitiv gekoppelte Gitter auszustoßen.
Ionenstrahlquelle nach Anspruch 12, wobei die Ionenstrahlquelle (30, 50) weiterhin mindestens eine an das Gehäuse (52) angrenzende Spule (96) aufweist, die imstande ist, ein Magnetfeld an bzw. auf das Plasmavolumen (54) anzulegen, wobei das Magnetfeld transversal in bezug auf eine Achse durch die Öffnung ist.
Ionenstrahlquelle nach Anspruch 13, wobei die Ionenstrahlquelle (30, 50) weiterhin eine Mehrzahl von um das Gehäuse (52) angeordneten Spulen (96) aufweist, so daß das Magnetfeld in dem Plasmavolumen (54) durch selektive Anregung einer oder mehrerer Spulen (96) bewegt werden kann.
Ionenstrahlquelle nach Anspruch 14, wobei die Mehrzahl von Spulen (96) radial um das das Plasma eingrenzende Volumen (54) angeordnet ist.
Ionenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das das Plasma eingrenzende Volumen (54) im wesentlichen eine Länge und einen Durchmesser definiert, wobei die Öffnung an einem Längsende angeordnet ist und wobei die Länge von etwa ein Drittel des Durchmessers bis etwa as Dreifache des Durchmessers beträgt.
Ionenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Gehäuse (52) ein elektrisch nichtleitendes Material umfaßt.
Ionenstrahlquelle nach Anspruch 17, wobei die Antenne (94) eine einzelne Spule (96), die von dem Plasmavolumen (54) durch das nichtleitende Material separiert ist, umfaßt.
Abscheidungs- bzw. Auftragungssystem, umfassend: – eine Ionenstrahlquelle (30, 50) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18; – eine RF-Potentialversorgung (32), welche mit der induktiv koppelnden Antenne (94) gekoppelt ist; – eine Feldpotentialversorgung (34), welche mit mindestens einer Spule (96) koppelbar ist, um ein Magnetfeld in dem Plasmavolumen (54) bereitzustellen; und – eine Extraktionsspannungsversorgung (36), welche mit der Kopplungselektrode (56) und der Extraktionselektrode (64) gekoppelt ist.