TWI499681B - 產生高密度外包層的方法與裝置 - Google Patents

Description

產生高密度外包層的方法與裝置

本案主張美國臨時申請案第61/424,550號(2010年12月17日申請)的優先權，該申請案之揭示內容全部作為本案之參考。

本發明是關於一種薄膜成形之技術，例如以化學氣相沉積法(PECVD)成形的技術。更具體地說，本發明有關在基板上薄膜成形，如類鑽塗層(DLC)的技術，該基板例如用於硬碟機上之圓盤。

硬碟機圓盤是藉由在圓形基板上形成不同薄膜層而製造出來的。其中一些薄膜層包含用來作為存儲介質的磁性材料，另外一些薄膜層則成形作為保護用途。最後，在圓盤表面鍍上一潤滑層而使讀/寫頭可以平順地移動。

隨著紀錄密度增強，已出現能在奈米級顆粒介質的設計上記錄的新技術。一如往常，人們追求著薄但是可靠的磨潤層(tribological layers)，以對潤滑層提供一堅固的介面，但同時將對讀/寫能力的影響，降到最低。此外，一些業界人士尋求能對極高異向性的磁性材料(為了穩定會因熱攪動而隨機翻轉的微小顆粒而設)以熱輔助方式寫入資訊的解決方案。這種技術目前仍停留在實驗室階段，但一般相信未來可使磁性記錄的密度上限達到遠超過每平方英寸1 TB(1 Tb/in² )。

在製造業中要實現上述技術，目前難以克服的障礙就是，現行的氫化類鑽碳(hydrogenated diamond like carbon-hydrogenated DLC)外包層在高溫持續曝曬下，可能石墨化，而失去其保護能力的事實。如使用現有外包層施用技術(即，離子束化學氣相沉積(CVD))，其缺點在於需要反應性添加氫氣到生成過程中，以解決存在製程中的高密度懸浮鍵缺陷。有許多專家則認為過濾陰極電弧(filtered cathodic arc-FCA)的選擇，是一能夠製造高密度，高品質的DLC薄膜而不需加入製程氫氣的替代性製造法。

如果將薄膜密度提高到接近3.51 g/cm³ (sp³ 結構鑽石)的上限，則極可能將外包層厚度從典型的3奈米減至2奈米，而無虞提高暴露於腐蝕環境的風險。據了解，在特定的吸附能量範圍內，提供高通量密度的正離子化碳原子，乃是使高sp³ 結構的合成膜變成可能的原因。不幸地是，FCA技術伴隨了其固有的問題，包括與圓盤加工設備安裝基座的相容性，加工容易產生大量微粒物質，以及尺寸變化僵硬，無法配和不同尺寸的基板與載體板。

因此，目前亟需一種能夠使用目前常見的圓盤製造設備所使用的製程，製作使高質量sp³ 結構的方法。

以下對本發明之簡述，目的乃在對本發明之各種特徵及面向作一基本說明。本發明之簡述並非對本發明之詳細表述，因此其目的不在列舉本發明之主要或關鍵性元件，也不是用以限定本發明之範圍。其唯一之目的是在以簡要之方式展示本發明之數種概念，作為其下段本發明較詳細說明之前言。

本發明的各種實施例可使現有技術產生新的應用，而得到與FCA外包層(一般稱為ta-C薄膜或四面體無定形碳)相同的優點，而沒有以上列舉的不利條件。

本發明的實施例可達成高沉積率，高靶材利用率，控制電漿與成長中薄膜的反應，及降低基板上因中性反沖或負離子引發的損傷。該實施例可以應用在多種用途，特別適用在DLC塗層沉積。本發明實施例也可適用在其他用途，包括在聚合物基板(OLED等)上沉積ITO(氧化銦錫)，高品質TCO(高透射率低電阻率(T,p)的透明導電氧化物，例如氧化鋅鋁(ZnO:Al)，氧化銦錫等等，a-Si:H(氫化非晶矽)的沉積，改善CIGS/CIS濺鍍品質，沉積鋰/鈷酸鋰(Li/LiCoO3)以增加鋰電池容量等等。

本發明提供一沉積系統，其中，組成分相似之導電靶材位於彼此相對的位置。此系統與一基板平行設置，該基板位於系統所產生的電漿外側，而該電漿大部限於兩負極之間。也就是說，本發明之實施例產生一「電漿籠」(plasma cage)，在其中碳原子與加速中的電子碰撞，形成高度離子化。電子會困在該電漿籠裡，但離子化的碳原子則沉積在基板表面。由於電子被限制在電漿籠裡，所以基板不會有損壞或加熱的情形發生。此外，實施例設計成使用來點燃與維持電漿且從靶材濺射碳原子之氬原子不會到達該基板，以防止基板損壞。

根據本發明的數面向，是提供一對向靶材濺射(facing target sputtering-FTS)技術，以提高離子化原子達到遠離電漿的基板的達到率。在ta-C薄膜沉積的應用中，該高度離子化的原子為高度離子化的碳原子。特別是，sp³ 結構通常認為最少需要30 eV吸附原子能量(adatom energy)。因此，本發明實施例建置成可達到30-100 eV吸附原子能量的架構，其中最理想的規格為54eV。

根據本發明之實施例，不需要加入製程氫氣，即可使製成的DLC密度高於每立方公分2.7克(2.7 g/cm³ )。

以下將詳細說明根據本發明實施例之處理系統。圖1顯示一可以大量循序處理基板的系統，該系統採用獨特的濺射源。本系統特別適用於硬碟圓盤的製造，但也能用於其他設備的製造，如太陽能電池，發光二極體，等等。在一實施例中，本發明是在來自加州聖塔克拉拉市因特瓦克公司所販售的Intevac 200 Lean^TM 圓盤濺射機上實行。本系統通常是由數個相同的處理腔140以線性方式連結所構成，如此一來，基板就能直接從一腔體輸送至下一個腔體。儘管在圖1實施例中兩列腔體相疊，這種方式雖然不是必要的方式，但卻提供了較小的機台尺寸。

一前端模組160包括軌道164，用來運送輸送盒162，其內容納一特定數量之基板166。該前端模組160裡保持清潔的大氣壓環境。一機器手臂168或其他系統(例如，刃狀抬高機)從輸送盒162起出該基板166並移送至裝載模組170裡。該裝載模組170將每片基板166裝載至基板載具156上並將基板166及載具156移入真空環境中。根據本發明另一個實施例，因該裝載模組已在真空環境中，因此該載具在真空環境中完成基板裝載。

在圖1的實施例中，顯示每一個載具支承單一基板，但其他實施例能運用載具支承兩個基板，此時基板一前一後或背對背排列。該載具156與基板166逐一通過處理腔140，各處理腔在真空環境運作，且在處理過程中以閘閥142與其他處理腔隔離。該載具156的移動以虛線箭頭顯示。加工一旦完成，該基板166從載具156移除且移至大氣壓環境中，並以機器手臂168置於輸送盒中。

圖1中，每個腔體140適合以訂做方式製作，以執行特定的製程。例如，某些腔體可能裝配加熱器，用以為基板加熱或退火；某些腔體可能裝配標準濺射源，以在基板表面上沉積磁性物質等等。圖2顯示一根據本發明一實施例中其中一腔體140之橫截面圖，該腔體裝配了兩個濺射源272A與272B。該基板266顯示以垂直固定在載具256上。該載具256具有滾輪221，以便能行駛在軌道224上，然而對反設計也能執行，換言之，該載具也可具有軌道，而可跨在位於腔體中的滾輪上移動。該滾輪221可能具有磁性，在此情況下，軌道224可能以順磁性物質製成。在本實施例中，該載具是藉由線性馬達226移動，雖然也可能使用其他動力及/或安排來驅動。該沉積源272A顯示成裝置在腔體240的一側，而沉積源272B則裝置在腔體相對的另一側。該載具經過沉積源272，如此一來，當基板經過沉積源時就會在基板表面進行沉積。

圖3顯示為其中一沉積源272A，272B之簡圖，為從圖2中A-A虛線箭頭所示，從腔體內部向外觀察所見。在這樣安排下，本範例中以導電石墨構成的濺射靶材305A，305B，以間距“d”相互分離且面對彼此立著，該間距“d”由兩者間所產生的磁場決定。在本範例中，該靶材緊靠以冷卻板310A，310B形式的熱沉，熱沉中以冷卻液，例如水，來進行循環。

在每個靶材後面設置一安裝板，例如，不鏽鋼板315A，315B，並提供磁鐵320A，320B。該磁鐵置放在該安裝板315A，315B之周圍，並使其中一磁極指向該靶材。從圖3能更清楚看到顯示虛線之透視圖。圖3中每個磁鐵以陰影顯示，較暗的一側表示為磁北極，而較亮的一側表示為磁南極。圖3實施例中，該磁鐵的磁極指向靶材且其指向該靶材的磁極與另側靶材上相對應的磁鐵指向該靶材的極性相反。換言之，如圖3所見，磁鐵320A較亮側，即磁南極，指向該靶材305A，而相對應的磁鐵320B較暗側，即磁北極，則指向靶材305B。

並且，如圖3所示，根據本發明實施例，該磁鐵放置的方式定義一磁鐵陣列之軸高h與軸寬w。設定該軸高與軸寬以使其扁平率(flattening factor)高於0.65。換句話說：扁平率f=(h-w)/h>0.65。

根據本發明之面向，該靶材之間距”d”與磁鐵的強度是根據一經定義的關係所選擇，以使得期望的薄膜形成物擁有期望的特性，尤其是密度特性。兩靶材的間距”d”設為介於30mm與300mm之間，更好是介於40mm與200mm之間。個別磁鐵320A，320B最大磁能積(magnet energy product)之範圍介於200 kJ/m³ 與425 kJ/m³ 之間，最好能介於300 kJ/m³ 與400 kJ/m³ 之間，而產生長度約一微米的電子運行軌道(electron orbit)，足夠作為強力的離子化使用。上述數值範圍的組合已經證明可沉積出高品質的DLC薄膜。

上述實施例的設計能使濺射源與基板間的區域內的電離電子(用來離子化碳，氬，氪，氖，氙，氮，氫，氦，及其他)，橫截面提高至最大限度。如此一來，由於所形成的薄膜主要會由離子化碳吸附質(absorbate)所構成，因此，如前所述，可以提升更高密度DLC的製成。因此，無論是要以拉近靶材間距，產生較低磁場，或是加長兩者間隔，而可能獲得較高磁場，以最佳化製成，都可自行裁量。一般發現，吸附質的瞄準造成薄膜的品質提高，因為到達的原子如果正對成長平面入射，將會具有最小的直線運動能量。如果直線運動能量提高，該吸附質物種會在薄膜平面轉移，在該平面可以找到能量上有利的sp² 鍵連機會，而使膜更石墨化。因此，使用時可能選擇較狹窄的靶材間隔，以提供較好的傾斜瞄準，但犧牲的是沉積速率的部分減低。

本發明所揭露的系統可產生不可預見之優勢，支持前述的嶄新效果。最重要的是，該電漿點燃所需的工作氣體(例如，氬氣)，壓力減少大約一個數量級。鑑於標準的平衡磁控陰極管(例如，Intevac L-URMA^TM )產生電漿大概需要1.0 Pa，本發明所揭露的陰極對點燃時只需要0.1 Pa。所產生的優點會因以下兩種現象，呈倍數的提高：一是藉由吸附質物種平均自由徑(mean-free-path)之增長，因此降低熱化的影響；二是，藉由所達成的減少結合到成長薄膜內的工作氣體量。

另一項重要的發現是，因陰極設計成使磁性B超領域大部分與陰極正切，而達成將電子侷限在靶材空間中，大大降低電漿與基板的連結關係。且因該基板其後有效遠離工作電漿，所以在沉積期間，基板不會或只會輕微受熱。這給予製程工程師在製程設計上更大的自由度，特別是能決定在薄膜成長期間基板應否加熱。為紀錄媒體應用優化DLC成長的人，大多數傾向較低的基板溫度，以抑制吸附原子的平移移動性。跟隨可將基板設置在遠端的優點而來的，是降低對真空環境的敏感度。因為基板附近沒有可感知的電漿，沉積過程中自由基濃度會降低，而減少與成長物種反應的不利影響。如此會由於產量的提高，產生改善的經濟效益，因為完成的薄膜結構只有少數會有遭到汙染，發生瑕疵的問題。同時也可以解除在生產之前需達到昂貴的真空品質標準的必要。

實施例I

在第一實施例中，將多數的354 kJ/m³ 磁鐵置於一410不鏽鋼安裝板上，接著將該安裝板直接裝在各靶材的熱沉後方。該磁鐵外圈皆同極性，而與裝置相對靶材的圓盤成相對極性。將一非必須之場彎曲磁鐵323B加至安裝板中央，以便使磁鐵320B外圈產生的磁場彎曲。此方式提供了對電漿規制的提高。在本例中，一磁力相等或較弱且與磁鐵320B(BHmax354 kJ/m³ )極性相對的磁鐵插入於該外圈內。

實施例II

本發明提出一種使用上述電磁管製造可用的磁性紀錄圓盤的加工法。在形成碳外包層步驟之前的製程，通常包括一系列的前端清理工序與可能的形成機械紋理，以對多層沉積步驟預作準備，但此等步驟與本發明方法沒有特別的相關。此外，在碳沉積前的步驟必須包含一些磁性與非磁性物質(主要為金屬)的組合，而進入碳沉積工作站的圓盤溫度則先提高到300至500K的範圍內。一ta-C碳沉積因陰極對(圓盤每側附近各一)而產生，每側都有靶材對，間隔50 mm，外圍磁鐵的磁北極指向靶材，而中央磁鐵則是以磁南極指向靶材。在另一側的靶材有相反的磁性安排，即，外圍磁鐵的南磁極指向靶材而中央磁鐵的北磁極指向靶材。該陣列由354 kJ/m³ 釹鐵硼永久磁鐵給予磁力。

基板最初位於腔體中線(與陰極對間隙位置相同)的尾端，使基板不會暴露在濺射中。在開啟氬氣流之前，該腔體背景氣壓為低於2x10-4 Pa。當氫氣壓力接著達到0.1 Pa穩定時，對陰極通電(藉由接通250~3500W的電力)而基板開始移動穿過陰極孔到中心位置(如圖3雙箭頭所示)前方。移動的速度由整個系統所需的生產量決定。這種”掃描”的方法，使最終的碳薄膜厚度可以均勻的增厚。當基板到達前面位置時，關掉電源並關閉氣體質流控制器(MFC)，使腔體能回復基本條件，供下個圓盤加工。圓盤接著可以從系統退出，也可以進一步加工，以改善薄膜表面。在從真空中移除後，對圓盤進行後端製程，以接收一薄潤滑層，進行沉積後拋光及飛行保證測試(flying assurance testing)。

圖4顯示以上述方式直接於NiP/Al圓盤基板上成長薄膜之X光反射折線圖。結合已知及未知變數對該堆疊作曲線逼近量測，得知已成長的碳薄膜厚度22 nm，保角粗度(conformal roughness)0.5 nm(圓盤表面無碳時也是0.5 nm)，且該膜密度為2.9 g/cm³ 。這種薄膜的競爭力價值將很快被該領域之習知技藝者所承認。

在先前描述裝置中實行的製造程序，可製成密度於2.4-3.5 g/cm³ 範圍內的高密度碳膜(DLC)。在先前描述之實施例中，靶材及電漿與圓盤相隔很遠，所以可以產生高度離子化的碳原子，以製造高密度碳膜。由於磁場已經減弱，因此產生較大的離子化橫斷面。也就是說，本案所揭示的裝置使用遠離的電漿，低磁場已產生高度離子化的碳原子。所揭示的面對面靶材可以限定電漿的範圍。而可使用低的氬氣壓力。

最後，本案揭示之內容雖然是特別針對在DLC薄膜之應用而寫，相同的技術將有利於各種各樣的其他材料，包括金屬，陶瓷，及半導體。當大部分吸附質為離子化形式時，加上薄膜成長動力學的控制能使薄膜的合成在製程設計上更有彈性。

本發明既已利用相當程度特定之實施例說明如上，上述之說明目的僅在例示本發明，而非用以限制其範圍。於此行業具有通常知識、技術之人士，不難由以上之說明，衍伸出其他多種硬體、軟體及韌體的不同組合，而實現本發明之內容。此外，其他實現本發明的方法對於習於斯藝之人士，也可從閱讀本案的專利說明書，並實施所述的本發明內容，而加以達成。本發明所述的實施例所使用的數種面向及/或元件，都可以單獨使用，也可以與該服務器技術以任何方式結合。在本說明書及其圖式所記載及顯示之所有內容，都只能作為例示之用，本發明真正的範圍與精神，只能由以下的申請專利範圍所規範。

140．．．處理腔

142．．．閘閥

156．．．載具

160．．．前端模組

162．．．輸送盒

164．．．軌道

168．．．機器手臂

170．．．裝載模組

221．．．滾輪

224．．．軌道

226．．．線性馬達

240．．．腔體

256．．．載具

266．．．基板

272．．．沉積源

272A、272B．．．濺射源

305A、305B．．．濺射靶材

310A、310B．．．冷卻板

315A、315B．．．安裝板

323B．．．場彎曲磁鐵

320A、320B．．．磁鐵

本專利說明書所附的圖式納入本件專利說明書中，並成為其一部份，是用來例示本發明的實施例，並與本案的說明內容共同用來說明及展示本發明的原理。圖式的目的只在以圖型方式例示本發明實施例的主要特徵。圖式並不是用來顯示實際上的範例的全部特徵，也不是用來表示其中各元件之相對尺寸，或其比例。

圖1顯示依據本發明一實施例之系統圖。

圖2顯示腔體140中之一的截面圖。

圖3顯示根據本發明一實施例結合源之概要圖，顯示從腔體內部向外觀看的情形，如圖2中A-A虛線箭頭所示。

圖4為一典型成長於NiP/Al圓盤基板上DLC薄膜的X光反射率折線圖。擬合分析顯示此薄膜為高密度(~2.9 g/cm³ )，厚度22 nm且粗糙度低於0.5 nm，與其下的基板相符。

305A、305B．．．濺射靶材

310A、310B．．．冷卻板

315A、315B．．．安裝板

323B．．．場彎曲磁鐵

320A、320B．．．磁鐵

Claims (18)

1. 一濺射源包括：一含有離子發射孔之真空腔；一第一濺射靶材，提供於該腔體內，並定位使其濺射表面朝向正交於該孔；一第二濺射靶材，提供於該腔體內，並定位使其濺射表面朝向正交於該孔，且面向第一靶材並與其間距d；一電漿電源供應器，用於在該真空腔內，介於第一靶材和第二靶材之間點燃及維持電漿；一第一磁陣列，定位於第一靶材後方，具有多數之磁鐵以南磁極指向該第一靶材；一第二磁陣列，定位於第二靶材後方，具有多數之磁鐵以北磁極指向該第二靶材；其中該第一及第二磁陣列中之磁鐵排列定義一軸高為h，一軸寬為w，使其扁平率(f=(h-w)/h)高於0.65。
2. 如申請專利範圍第1項所示之濺射源，其中該間距d介於30到300毫米(mn)之間。
3. 如申請專利範圍第1項所示之濺射源，其中該間距d介於40到200毫米(mn)之間。
4. 如申請專利範圍第1項所示之濺射源，其中該第一及第二磁陣列中個別磁鐵之最大磁能積範圍介於200kJ/m³ 與425kJ/m³ 之間。
5. 如申請專利範圍第1項所示之濺射源，其中該第一及第二磁陣列中個別 磁鐵之最大磁能積範圍介於300kJ/m³ 與400kJ/m³ 之間。
6. 如申請專利範圍第1項所示之濺射源，其中該間距d介於30與300毫米之間且該第一及第二磁陣列中個別磁鐵之最大磁能積範圍介於200kJ/m³ 與425kJ/m³ 之間。
7. 如申請專利範圍第1項所示之濺射源，其中該間距d介於40與200毫米之間且該第一及第二磁陣列中個別磁鐵之最大磁能積範圍介於300kJ/m³ 與400kJ/m³ 之間。
8. 如申請專利範圍第1項所示之濺射源，其中該第一與第二磁陣列中每一個還包括一置於所對應磁陣列之中心且朝向與所對應磁陣列之磁鐵相反極性之第二磁鐵。
9. 如申請專利範圍第8項所示之濺射源，其中該第二磁鐵的磁力不高於所對應磁陣列中任一磁鐵之磁力。
10. 一種在基板上沉積一層之沉積系統，包括：一處理腔；一第一濺射源，提供於該處理腔之一側；一第二濺射源，提供於該處理腔之另一側；一輸送機制，提供於該處理腔內，以使該第一及第二濺射源通電時掃描該基板；其中該第一與第二濺射源各包括：一真空腔，具有一離子放射孔指向該處理腔；一第一濺射靶材，提供於該真空腔內，且放置成使其濺射表面朝向正交於該孔； 一第二濺射靶材，提供於該真空腔內，並放置成使其濺射表面朝向正交於該孔，且面向該第一靶材，與第一靶材之間距為d；一電漿電源供應器，用於在該真空腔內點燃及維持之電漿，且將該電漿限制在第一靶材與第二靶材之間；一第一磁陣列，設置於該第一靶材後方，具有多數磁鐵以南磁極指向該第一靶材；一第二磁陣列，設置於該第二靶材後方，具有多數磁鐵以北磁極指向該第二靶材；其中該第一及第二磁陣列中之磁鐵排列定義一軸高為h，一軸寬為w，使其扁平率(f=(h-w)/h)高於0.65。
11. 如申請專利範圍第10項所示之系統，其中該間距d介於30至300毫米之間。
12. 如申請專利範圍第10項所示之系統，其中該間距d介於40至200毫米之間。
13. 如申請專利範圍第10項所示之系統，其中該第一及第二磁陣列中，個別磁鐵之最大磁能積範圍介於200kJ/m³ 與425kJ/m³ 之間。
14. 如申請專利範圍第10項所示之系統，其中該第一及第二磁陣列中，個別磁鐵之最大磁能積範圍介於300kJ/m³ 與400kJ/m³ 之間。
15. 如申請專利範圍第10項所示之系統，其中該間距d介於30至300毫米之間，且該第一及第二磁陣列中個別磁鐵之最大磁能積範圍介於200kJ/m³ 與425kJ/m³ 之間。
16. 如申請專利範圍第10項所示之系統，其中該間距d介於40至200毫米 之間，且該第一及第二磁陣列中個別磁鐵之最大磁能積範圍介於300kJ/m³ 與400kJ/m³ 之間。
17. 一種在基板上物理氣相沉積之方法，包括：在一真空腔中形成一電漿籠並讓該真空腔之一放射孔開放到一處理腔，但將該電漿限定在該真空腔內；當離子從孔放射時在該孔前方輸送該基板；其中該形成一電漿籠之步驟包括：放置一第一濺射靶材於該真空腔內，以使其濺射表面朝向正交於該孔；放置一第二濺射靶材於該真空腔內，使其濺射表面朝向正交於該孔且面向第一靶材，與其間距為d；提供一電漿電源供應器，用於在該真空腔內點燃及維持電漿，並將該電漿限制於第一及第二靶材間之空間；設置一第一磁陣列於第一靶材之後方，使第一磁陣列中之多數磁鐵以南磁極指向該第一靶材；設置一第二磁陣列於第二靶材後方，使第二磁陣列中之多數磁鐵以北磁極指向該第二靶材；其中該第一及第二磁陣列中之磁鐵排列定義一軸高為h，一軸寬為w，使其扁平率(f=(h-w)/h)高於0.65。
18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該間距d之選定範圍為40至200mm之間，且該第一及第二磁陣列中個別磁鐵之最大磁能積選定於300kJ/m³ 與400kJ/m³ 之間。