TWI516621B - 形成層的方法 - Google Patents

形成層的方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI516621B
TWI516621B TW102104213A TW102104213A TWI516621B TW I516621 B TWI516621 B TW I516621B TW 102104213 A TW102104213 A TW 102104213A TW 102104213 A TW102104213 A TW 102104213A TW I516621 B TWI516621 B TW I516621B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
mci
substrate
ion
energy
layer
Prior art date
Application number
TW102104213A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201348475A (zh
Inventor
菲利浦 彼奇爾
Original Assignee
希捷科技有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 希捷科技有限公司 filed Critical 希捷科技有限公司
Publication of TW201348475A publication Critical patent/TW201348475A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI516621B publication Critical patent/TWI516621B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/317—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation
    • H01J37/3174—Particle-beam lithography, e.g. electron beam lithography
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/30—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects
    • H01J37/317—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation
    • H01J37/3171—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation for ion implantation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02115—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material being carbon, e.g. alpha-C, diamond or hydrogen doped carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0605—Carbon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48—Ion implantation

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

形成層的方法 相關申請案之相互參照
本案請求2012年2月3日申請，代理人編號STL17144.01，發明名稱“SLOW MULTICHARGED ION SURFACE NANOENGINEERING PROCESS”的美國臨時申請案第61/594547號之優先權，在此以引用的方式將其併入本文。
本發明關於一種形成層的方法。
在亞單層至數毫米深度尺度的表面、界面或次表面層材料工程在許多不同領域的工藝上變得越來越顯重要。這樣的領域可舉出數個包括，例如，數據儲存、微電子學、催化作用及生醫應用。因此始終需要進行此材料工程的新穎製程。
表面奈米工程技術的製程互相影響可侷限於表面層原子或從表面數個鍵長度內的深度。文中揭示的是擴充並改良表面奈米工程技術的方法，該技術包括例如，表面植入(SI)、表面次植入(surface sub-plantation；SSP)、蝕刻、摻雜及界面工程。文中揭示的方法利用緩慢、帶少數至適度多電荷的單原子或分子或簇形離子。應用可包括例如，從表面延伸數奈米的深度尺度的表面改質、材料合成及組成改質、蝕刻及界面工程。文中揭示的是碳或氫化碳膜，但是揭示的方法也可廣泛應用於其他材料，包括例如，石墨烯(graphene)以及其他元素或元素組合。在一些具體實施例中，可能形成達於大約250個原子質量單位的元素層及其組合。再者，可能形成多種不同類型的材料，包括例如，介穩定表面組合物或表面層。文中述及碳膜僅為示範且所以預期能例示但是不會限制此揭示內容的範圍。
本文揭示形成層之方法，該方法包括提供基板，其具有至少一個適於沉積的表面；及將粒子束導向該基板表面，該粒子束包括帶適度電荷的離子(MCI)，實質上所有MCI均各具有±2至±6的電荷及不高於約200 eV的動能，其中該MCI不會穿入該基板表面超過約30 Å以形成一層於該基板上。
本文也揭示其他形成層之方法，該方法包括提供基板，其具有至少一個適於沉積的表面；及將粒子束導向該基板表面，該粒子束包括帶適度電荷的離子(MCI)，實 質上所有MCI均各具有±2至±10的電荷及不高於約2000 eV的動能，其中該MCI不會穿入該基板表面超過約50 Å以形成一層於該基板上。
一種形成層之方法，該方法包括提供基板，其具有至少一個適於沉積的表面；及將粒子束導向該基板表面，該粒子束包括帶適度電荷的離子(MCI)，其中實質上所有MCI均各具有±2至±10的電荷及介於約5 eV與2000 eV之間的動能，且其中該粒子束係利用至少一種加速-減速束流輸運技術(accel-decel beam transport technique)導於該表面，其中該MCI不會穿入該基板表面超過約30 Å以形成一層於該基板上。
以上本揭示內容的彙總無意描述本揭示內容的各個揭示的具體實施例或一切實施方式。以下的描述將更詳細說明例示性具體實施例。在本案各處的數處，透過實例，該等實例可用於各種不同組合，的列舉達到教導的目的。在各例子中，所列舉的說明僅當代表組用且理應不得解釋為排他性的說明。
第1圖顯示把經次植入的碳原子及損壞原子二者的濃度當作深度(Å)的函數。
第2圖例示表面植入如何能透過引入及移位效應調變表面密度。
第3圖顯示把含碳的離子之離子尺寸換算因子當作電 荷之函數。
第4圖顯示把帶單電荷碳離子的莫里哀直徑當作動能的函數。
這些圖式不一定按照比例。圖式中使用的同樣編號表示同樣的組件。然而，咸了解使用編號表示特定圖式中的組件並非試圖限制在另一個圖式中標記為相同編號的組件。
在以下說明中，引用後附的整套圖式，該等圖式構成此說明的一部分且藉由例示方式顯示數個指定具體實施例。要了解其他具體實施例也能預期並可完成而不會悖離此揭示內容的範圍或精神。因此，以下的詳細說明不得視為有限制的意思。
除非另行指明，否則本說明書和申請專利範圍中使用的所有表示特徵大小、數量和物性的數字均應解釋為在所有例子中藉由措辭“約”加以修飾。因此，除非有指明相反的情況，否則前述說明書和附屬的申請專利範圍中說明的數值參數均為近似，其可依據熟於此藝之士利用文中揭示的教導尋獲的性質而變化。
以端點列舉的數值範圍包括該範圍內包括的所有數字(例如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4及5)及該範圍內的任何範圍。
用於本說明書和後附申請專利範圍時，除非內文清楚 指定，否則單數形式“一”及“該”包含具有複數指稱的具體實施例。用於本說明書和後附申請專利範圍時，除非內文清楚指定，否則該措辭“或”一般依其包括“及/或”的意思運用。
“包括”或類似措辭意指包含但不限於，也就是說，包括且不排他。應該要注意“頂部”和“底部”(或其他措辭像是“上方”和“下方”)係嚴格地利用於相關描述且不暗示所述元件座落的物件的任何整體取向。
所揭示的方法可提供擴充並改良表面奈米工程技術的方式，該技術包括但不限於，表面植入(SI)、表面次植入(SSP)、蝕刻、摻雜及界面工程。文中所揭示的方法可用於基本上不限數量的應用，包括，例如，數據儲存、微電子學、催化作用及生醫應用。
在許多重要的薄膜應用中，例如資料儲存的先進被覆技術，從常用的薄膜沉積到表面奈米工程技術的過渡階段最好可符合越來越高的面密度要求。厚度、均勻性及製程再現性是佈置被覆層工程時常利用的關鍵質量要素(CTQ)測量方法。所揭示的方法可提供被覆層所需的機械、化學及熱穩健性的改良。所揭示的方法也可提供使佈置於表面上及/或表面內或接近表面區域的新形式碳質材料及/或介穩定材料符合未來的磁頭媒體間距(HMS)及被覆層的熱、機械和化學需求。
在關於數據儲存被覆層的薄膜應用之示範內文中，較厚碳膜(數十奈米至微米)的研究顯示越來越高的sp3對 sp2碳原子比率(sp3/sp2)一般能改良碳膜的特性。在文獻中將次植入模型以超高溫加工技術的方式明確附記於文件中，在此情形中高能碳離子的淺離子植入引起膜密度局部順應sp3鍵混成(sp3/sp2比)提高而提高。這些技術一般是記載關於比磁頭被覆層應用所需厚許多的膜，例如。這些眾所周知方法的應用對於奈米級厚度由於高能的植入粒子與基板原子相對於進入表面的深度之非線性交互作用可能會複雜化。
於約100 eV的典型離子能量，次植入原子的深度及所得的損壞範圍分佈在被覆層應用中相當重要(由於該被覆層薄的本質)且對於在經有效加工的表面下方的層及界面之原子組成、鍵結及結構會有重大的影響。第1圖顯示於100 eV時經次植入的碳原子和損壞原子之量對比於深度(Å)的理論示意圖。長度尺寸使意欲產生高sp3含量而加工碳被覆膜時，實際的碳被覆膜可能具有不欲地富含sp2的最終表面。這可能表示創造sp3所需的原子交互作用可能在該經有效加工的表面下方產生數層的機率較高。再者，可能發生事先在該膜中創造的sp3區可能由於源於缺陷遷移效應或離子動能散熱的不欲原子鬆弛過程而恢復到sp2的情況，該等缺陷遷徙效應(defect migration effect)或離子動能熱散逸可能擴及顯著越過離子交互作用深度之處。
2012年4月5日申請的申請人共有的美國專利案序號13/440071，發明名稱“METHODS OF FORMING LAYERS”(在此以引用的方式將其揭示內容併入)，揭示使用SSP方法策劃帶有受控制的膜特徵之近乎逐層生長的表面奈米工程方法，其與依賴深度的合成大不相同。在該揭示內容中，當進行生長時次植入加工效應侷限於表面層及/或連續生長層的頂部少數表面層。此特徵同時區別該過程與習用次植入技術並透過非線性原子交互作用效應消除多種效應(參見2012年4月5日申請的申請人的其他共有的美國專利案序號13/440068，發明名稱“METHODS OF FORMING LAYERS”(在此以引用的方式將其揭示內容併入)。
當進行生長時，文中揭示的方法努力持續限制對於該層頂部少數鍵長度的處理效應。這能將植入粒子與基板原子的非線性原子交互作用效應最小化或消除。第2圖例示表面植入如何能透過引入及移位效應調變表面密度。在正在形成包括碳的膜的一些具體實施例中，這也能調變sp3鍵混成作用。
如第2圖所見，表面植入或表面次植入(SSP)會受到幾種機制而複雜化，包括濺射蝕刻、表面能障壁層的穿入及離子反射。加工能量範圍可由這些效應的估算推估。
從有效產生sp3中心的觀點來看，更進一步的考量必須由缺陷產生及非彈性能量損失的機制完成，該非彈性能量損失能藉由提供分別經由缺陷遷徙及熱退火(透過植入物感應聲子通量)減輕局部應變的機制而降低sp3中心濃度。次植入及表面次植入加工時創造及消滅sp3中心的相 關速率(及創造sp3中心的淨速率)因此取決於積存能量的細心控制及其如何連於表面及近表面區。此競爭必須同時克服表面穿入的能量障壁並限制停止距離於少於數個鍵長度使可利用的能量範圍限於低入射粒子能。不幸地，能量學通常使移位碰撞時，能動能交換接近典型原子移位能(Ed)，Ed ~20至25eV，的能量。於接近Ed的Δ交換量，非常有可能使移位粒子及其空位瞬間重組，而消除咸信為sp3中心生成所需的局部扭曲。在以上引用的美國專利案序號13/440071中提議使用分子離子作為藉由分隔離子斷片上的入射離子能而有效擴張SSP加工範圍的手段。在使用烴分子離子(例如乙炔)的情形中，儘管運動學可能排除氫克服表面位能障壁，但是化學效應卻還是可將氫併入該層，在被覆層應用中，這在提高濃度時可能不欲發生。
揭示的方法利用以上討論的現象為例如表面植入(SI)、表面次植入(SSP)、蝕刻、摻雜及界面工程提供不同及/或有益的結果。
揭示的方法一般將會包括多個步驟，當中有些可包括提供基板及將粒子束導向該基板以形成一層的步驟，該粒子束包括帶適度電荷的離子(文中稱作“MCI”)。提供基板可由放置，建構，或者將基板設置於系統內完成，例如。
該層形成在上面的基板可為任何類型的材料或結構。在一些具體實施例中，示範基板可具有至少一個層形成會 在上面發生的表面。此表面可稱為“適合層形成”，其可包括簡單置於加工艙中使層能形成於至少所欲的表面上。在一些具體實施例中，該基板可包括形成在其上面或其中的結構或裝置。在特定具體實施例中，文中揭示的方法可用以於各種不同結構上形成被覆層；且在這樣具體實施例中，上面形成該被覆層的裝置可把該基板考慮在內。在層形成在上面之前該基板上可任意進行各種不同製程及程序。
在一些具體實施例中，可把該基板或該基板表面的導電度考慮在內。應該要注意無論該表面是否為導電性、電絕緣性或其某些組合，文中揭示的方法可用以於幾乎任何表面上形成層。在一些例子中，帶電粒子可能造成離子電位能消散，其會在金屬表面上產生奈米級表面破裂。在奈米導電表面上可能不會見到此現象。在一些具體實施例中，因此，揭示的方法可利用非導電性表面。在一些具體實施例中，該等非導電性表面僅包括在形成該層的區域上之絕緣材料。在一些具體實施例中，該等非導電性表面可以製成非導電性。例如，其他導電表面可經由表面加工技術製成非導電性或可塗覆非導電性材料。表面加工技術的指定實例包括在利用揭示的方法施以較高sp3含量層之前沉積富含sp2碳的前驅物碳層。
利用非導電表面也可能有益於降低或防止在與表面層或次表面層的有效製程水準交互作用能發生之前入射離子在材料表面上方被中和可能造成的表面中和效應。MCI用 於形成sp3富含碳的被覆層之非常具體的非限定例之另一個有可能的益處包括一旦該入射MCI穿入鋪設原子或近表面原子次層的表面就會中和。這可能造成後續波函數展開(即，離子的有效尺寸增大)，造成局部應變增加及伴隨前述混成作用創造的sp3中心。在一些具體實施例中，為了防止表面中和效應，MCI可於高到足以穿入適度薄的絕緣或電負性材料塗層的能量時入射以致於在入射於所欲表面或界面之前保存電荷。同樣地，高於所需的入射粒子電荷可(關於電位能交換的因素)用以補償可能隨著穿入基板發生的電荷中和。
關於其導電性，即使有可能是吾人可能想要具有指定類型的表面之例子，也應該要注意任何類型的基板及/或表面均可用於此。
揭示的方法也可包括將粒子束導向該基板的步驟。該粒子束可包括帶適度電荷的離子(文中稱作“MCI”)。揭示的MCI可藉由其各個不同性質描述。例如，MCI可藉由其電荷(Q)、其動能、其電位能、其類型、其組成原子的質量或其組合描述。在一些具體實施例中，對於指定的粒子質量，MCI的電荷(Q)及動能可能被認為是最相關的性質。
揭示的方法利用包括MCI的粒子束，該等粒子束可以其電荷狀態(此處也可稱作“Q”)描述。MCI可具有正或負的電荷狀態。所以，該電荷狀態可僅以電荷的絕對值或實際電荷(詳述正或負)稱之。粒子束中的所有MCI 常具有相同電荷。這可使用各種不同技術完成，包括例如，將在以下討論的質量及/或電荷過濾。然而，特定粒子束中的所有MCI不一定具有相同電荷。在一些具體實施例中，MCI可具有±2至±10的電荷。在一些具體實施例中，MCI可具有±2至±6的電荷。在一些具體實施例中，MCI可具有±3至±6的電荷。在一些具體實施例中，MCI可具有3的電荷。在一些具體實施例中，粒子束可由帶介於2與6間的電荷狀態之帶正電或帶負電的MCI製成。
揭示的方法利用包括MCI的粒子束，該等粒子束也可以其動能描述。粒子的動能也可以說成該粒子是快或慢。此處利用的MCI可視為“慢的”，或視為具有“低動能”。粒子束中的所有MCI經常實質具有相同動能或低熱(能)發散。這可利用各種不同技術完成，包括例如，將在以下做討論的加速-減速技術。然而，特定粒子束中的所有MCI不一定有相同動能。在一些具體實施例中，MCI可具有不高於約2000電子伏特(eV)的動能。在一些具體實施例中，MCI可具有約5 eV至約2000 eV的動能。在一些具體實施例中，MCI可具有不高於約200 eV的動能。在一些具體實施例中，MCI可具有約5 eV至約200 eV的動能。在一些具體實施例中，MCI可具有約5 eV至約100 eV的動能。
MCI也可以其電位能描述。MCI可提供其電位能可能超過其動能的優點。以下表1顯示把含碳的離子之電位能當作電荷的函數。
所揭示的MCI也可以其組成原子的原子質量描述。在一些具體實施例中，MCI可由具有約1至約250統一原子質量單位(u)的原子質量之原子製成。在一些具體實施例中，MCI可由具有約1至約100 u的原子質量之原子製成。應該要注意單原子MCI具有等於構成原子的原子質量之質量，而分子及簇形MCI具有構成原子的原子質量單位之複合體的質量。
揭示的方法利用包括MCI的粒子束，該等粒子束也可以其類型稱之。MCI可為單原子離子、分子或多原子離子，或離子簇(或奈米簇)例如。粒子束中的所有MCI經常為相同類型。這可利用各種不同技術完成，包括例如，將在以下做討論的選擇質量的加速-減速技術。然而，特定粒子束中並非所有MCI均必須為相同類型。
所揭示的MCI也可以其“有效尺寸”描述。文中所用的“有效尺寸”表示具有離子化程度，Q，的電子波函數之空間範圍(尺寸及形狀)。MCI的多電荷狀態(即，具有 大於1的絕對值的電荷)可提供能訂製粒子的“有效尺寸”之優點。第3圖顯示把含碳的離子之標準化離子尺寸換算因子(該“有效尺寸”的大小)當作該離子的電荷(Q)之函數。從那裡見到，該含碳的離子之“有效尺寸”隨電荷增加而降低。
原子或離子的許多物性衍生自其“有效尺寸”。在原子或分子級的基礎上，這可包括描述薄膜處理時標的原子與入射粒子間的原子間作用力交互作用程度之有效距離。指定入射離子與指定表面的運動學交互作用性質取決於穿過與粒子速度相關的碰撞截面之粒子動能。第4圖顯示這個情形的實例。第4圖顯示當與靜態碳標的原子碰撞時把帶單電荷碳離子的莫里哀(Molière)直徑(Å)當作動能(eV)的函數。於低能時，可從相關碰撞截面見到關於逼近表面的慢離子當截面延伸(於較低能時較大)而使多個原子重疊時將發生從二元碰撞模式到複雜多本體型碰撞(例如，由與表面原子的波形面交互作用位能控制)的過渡階段。這個會複雜化且甚至限制佈置表面的能力。
在低能SSP碰撞運動學體制的具體但是非限定例中，當入射動能降低時表面穿入或以奈米級次植入引入及/或移位(例如在sp3生成型過程中)進行表面穿入的製程最終將變成像表面沉積(更多sp2型生成過程)。除了與表面穿入障壁能相關的運動學效應、缺陷產生及以上討論的聲子退火效應以外的這些考量因素可能同時限制SI和SSP技術的效力及/或效率及能用以策劃共有的美國專利 案序號13/440071中描述的“膜”性質之製程變數範圍的廣度。
揭示的方法具有利用不同的MCI的運動學和電位能特性改良表面奈米工程技術的能力之優點。至於實例，利用電荷狀態為3(Q=3)之含碳的MCI之方法能有效地具有如單價碳離子的半個能量相關的莫里哀截面(以上第4圖所示)。這能使用相對於習用單價離子顯著更低的入射粒子能並提供利用，例如，後續所欲降低的缺陷產生，控制能量以運動學交換至表面區的程度及深度之優點。處理可於接近表面能障壁但是低於缺陷產生能量閾值的入射能進行，使潛在無缺陷的表面工程技術變得可能。
再者，在利用慢MCI程序的揭示方法中，能量交換可藉由電位能交換而非動能交換管制，其中離子的電位能係透過電子激發而非習用薄膜處理中的純運動學效應交換。在SSP技術的應用中，該MCI電位能可能超過入射粒子動能。入射粒子在慢MCI處理時透過電位能損失而非大幅動能交換減少顯著能量的能力可能使薄膜奈米工程佈置時有全新的能力。也應該要注意的是在慢MCI處理時，該MCI的有效離子電荷可隨穿入粒子進入的表面之深度(路徑長度)而變，因而該MCI如何交互作用的特性及進入該表面層的交換能將隨依據指定投射體(projectile)-標的原子系統的中和程度進入該基板表面的路徑長度(深度)而改變。
已知的離子來源可作為揭示的方法中的粒子束。一 般，可利用能產生帶多電荷的離子之來源。可利用的示範離子來源可包括，例如，電子迴旋加速共振(ECR)離子源、多峰離子源(multicusp ion source)或電子束離子阱(EBIT)離子源。
文中揭示的方法可包括將粒子束導向該基板或表面的步驟。導引該粒子束可利用各種不同技術完成，包括例如“加速-減速”束流輸運技術。離子的加速及/或減速，在此可將其稱作“離子加速-減速”，可利用質量選擇、束調節及成形聯合角運動學處理(使粒子束參數的即時變化與標的加工表面(關於束軸)的測角(角度)沉積協調)完成以控制能提供加工現象控制的因素，例如蝕刻、界面奈米工程、奈米摻雜、奈米材料及介穩定表面材料的表面奈米工程。離子加速-減速方法可避開粒子束輸送效應，例如空間-電荷膨脹，及於低能時的差的離子源效能特性(例如不適用的低束電流)以改善程序控制。MCI可於高能加速並調節並接著減速以正好在與基板碰撞之前強烈影響能量。然而，低能程序的存在限制可能極為狹窄且極易有訛誤。
在另一具體實施例中，該束可任意形成某形狀。該束的成形可能例如於離子源處或例如於質量選擇之後發生。在一些具體實施例中，狹窄矩形或線形束可能是有益的形狀。另一有益的方面是該粒子束本身是靜態的且該基板可關於該束機械地掃描。成形、靜態入射及獨立基板掃描可能是動測角(kinogoniometric)中性粒子處理的重要方 面。
若在儀器設計時沒把離該基板平台的“投擲”距離與在加工範圍中的沉積速率之適度控制一起適度考慮可能使該束顯現大束發散(伴隨程序控制的可能損失)。粒子能、束電流、束發散、電荷狀態及離子質量的程序控制在習用技術中通常是靜態的。然而選定的束參數之變化可用以例如訂製界面、組成或損壞中心濃度分佈而不管是否有樣品測角運動。相關聯地，不定摻雜的多層奈米結構或選擇深度或表面摻雜可藉由適當變更膜生長時或膜生長後的質量過濾參數達成，例如在潤滑油工程應用中。
揭示的方法可用以形成任何材料的層；或陳述引入表面層的MCI可具有任何本質的另一種方式。在一些具體實施例中，揭示的方法可用以形成包括碳的層。在一些具體實施例中，揭示的方法可用以形成以烴的方式包括碳(例如，加氫的碳)的層。然而應該要了解碳及烴類僅為實例且揭示的方法不限於形成碳及/或烴層或膜。
組成MCI的材料變成所形成的層之材料的組分。在一些具體實施例中，來自該粒子束的材料將會被引入基板，在該案例中會形成來自該粒子束的材料及該基板材料的混合物。在一些具體實施例中，形成含有該MCI的材料(例如，碳)之層。在一些其他具體實施例中，形成含有加氫的碳(碳和氫二者)之層。
形成的層可具有多種不同厚度。層的厚度，如文中利用的說法，表示厚度的大小。例如，厚度的大小可提供平 均厚度，或可提供可能與該層的厚度或平均厚度有關的性質。例如，層可為從約亞單層(小於材料的單層)至約30 Å厚。在一些具體實施例中層可為約15 Å至約25 Å厚；且在一些具體實施例中，層可為約15 Å至約20 Å厚。
層能表示在基板表面上的材料、於該基板界面處的材料(即部分植入表面但是又像是暴露於表面上的材料)、於該基板內的材料(即植入該基板且沒暴露於該基板表面的材料)或其任何組合。在一些具體實施例中，該等MCI沒穿入該基板表面及/或與進入該基板表面超過約50 Å的原子或分子交互作用。在一些具體實施例中，該等MCI沒穿入該基板表面及/或與進入該基板表面超過約30 Å的原子或分子交互作用。在一些具體實施例中，該等MCI沒穿入該基板表面及/或與進入該基板表面超過約15 Å至25 Å的原子或分子交互作用。在一些具體實施例中，該等MCI沒穿入該基板表面及/或與進入該基板表面超過約15 Å至20 Å的原子或分子交互作用。在幾個具體實施例中，文中揭示的方法無法以成核生長機構為基礎形成層。成核生長機構根本上限制連續膜的最小厚度。
入射粒子通量分佈的控制、其能量分佈及到達角分佈是研發能進行表面奈米工程的關鍵要素。然而，許多原子物性衍生自原子的“尺寸”，即其波函數的尺寸及形狀。這包括描述原子/粒子間的原子間作用力之交互作用程度的有效距離，該有效距離在控制薄膜製程時具有基本的重要 性。使用慢的帶適度電荷的離子(MCI)由於該粒子的波函數取決於粒子的電荷狀態及離子電位能與其能量交換時的移位能(translated energy)間的相互作用而能在薄膜處理時取得新的自由度。
一些揭示的方法可利用奈米簇或分子離子。在這樣的案例中，該等粒子可藉由其植入能(相對於其入射能)進一步描述。於此可利用以下的構造以說明粒子的能量。在接地的束粒子源之示範案例中，加總束電壓(或屏偏壓)，Vb，和電漿電位，Vp，得到就在粒子與沒偏向的不帶電荷基板表面交互作用之前粒子的入射能(Vinc)，其假設該入射粒子是單原子的單電荷離子。在此例子中，植入能(Vimp)與所述的入射能(Vinc)相同。關於帶單電荷的分子離子或簇，假設藉由與該基板表面處的原子的交互作用，分子軌域重疊造成分子(或簇)完全斷裂成其組成原子物種。入射動能(Vb+Vp)減去分子或簇解離能接著根據各原子“斷片”於原始入射分子或簇質量中的質量分率(原子組分質量/分子或簇總質量)將各原子“斷片”分類以得到各斷片的Vimp。
粒子(例如奈米簇或分子離子)的植入能可經選定(選擇最大值)以將進入該表面的離子投射範圍限於小於數個鍵長度的最大值。粒子的植入能也可經選定(選擇最小值)為至少足以穿透表面能障壁以讓粒子能併入該表面。由於選定的最小能量(足以讓粒子穿入該基板)，使該層的生長不是經由典型成核生長機構完成。植入粒子能 的選定範圍使對於標的原子的動能轉移不足以產生移位或，平均而言，一般僅產生一或兩個移位反應或足以引入該表面或離該表面數個鍵長度內的距離。
該等粒子一旦與該基板表面接觸可能分裂成較小的粒子。在這樣的例子中，粒子本身、此入射粒子的斷片或其一些組合均可能具有不高於100 eV的能量，即植入能。當文中討論的是植入能時，應該了解這樣的能量可表示入射粒子、此入射粒子與表面交互作用產生的斷片或其任何組合。在一些具體實施例中，揭示的方法包括利用具有數十(10s)電子伏特(eV)的植入能之粒子。在一些具體實施例中，方法包括利用具有低於約100 eV的植入能之粒子。在一些具體實施例中，方法包括利用具有不高於約80 eV的植入能之粒子。在一些具體實施例中，方法包括利用具有不高於約60 eV的植入能之粒子。在一些具體實施例中，方法包括利用具有不高於約40 eV的植入能之粒子。在一些具體實施例中，方法包括利用具有不高於約20 eV的植入能之粒子。在一些具體實施例中，方法包括利用具有約20 eV至約100 eV的植入能之粒子。在一些具體實施例中，方法包括利用具有約20 eV至約80 eV的植入能之粒子。在一些具體實施例中，方法包括利用具有約20 eV至約60 eV的植入能之粒子。在一些具體實施例中，方法包括利用具有約20 eV至約40 eV的植入能之粒子。
因此，揭示了形成層的方法之具體實施例。上述實施 方式及其他實施方式均在以下申請專利範圍以內。熟於此藝之士將明白本揭示內容可以已揭示者以外的具體實施例實現。揭示的具體實施例係為了達到例示的目的而提供且沒限制。

Claims (20)

  1. 一種形成層之方法，該方法包含：提供基板，其具有至少一個適於沉積的表面；及將粒子束導向該基板表面，該粒子束包括帶適度電荷的離子(MCI)，實質上所有MCI均各具有±2至±6的電荷及不高於約200 eV的動能，其中該MCI不會穿入該基板表面超過約30 Å以形成一層於該基板上。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該MCI係為單原子物種、分子多原子物種、簇形物種或其組合。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中實質上所有MCI均具有介於約5 eV與200 eV之間的動能。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中實質上所有MCI均具有介於約5 eV與100 eV之間的動能。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中實質上所有MCI均具有±3至±6的電荷。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中實質上所有MCI均具有±3的電荷。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該粒子束來源係經配置以產生帶多電荷的離子。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中該來源係選自電子迴旋加速共振(ECR)離子源、多峰離子源(multicusp ion source)或電子束離子阱(EBIT)離子源。
  9. 一種形成層之方法，該方法包含：提供基板，其具有至少一個適於沉積的表面；及將粒子束導向該基板表面，該粒子束包括帶適度電荷的離子(MCI)，實質上所有MCI均各具有±2至±10的電荷及不高於約2000 eV的動能，其中該MCI不會穿入該基板表面超過約50 Å以形成一層於該基板上。
  10. 如申請專利範圍第9項之方法，其中實質上所有MCI均具有介於約5 eV與2000 eV之間的動能。
  11. 如申請專利範圍第9項之方法，其中實質上所有MCI均具有±3至±6的電荷。
  12. 如申請專利範圍第9項之方法，其中該粒子束來源係經配置以產生帶多電荷的離子。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該來源係選自電子迴旋加速共振(ECR)離子源、多峰離子源或電子束離子阱(EBIT)離子源。
  14. 一種形成層之方法，該方法包含：提供基板，其具有至少一個適於沉積的表面；及將粒子束導向該基板表面，該粒子束包括帶適度電荷的離子(MCI)，其中實質上所有MCI均各具有±2至±10的電荷及介於約5 eV與2000 eV之間的動能，且其中該粒子束係利用至少一種加速-減速束流輸運技術(accel-decel beam transport technique)導向該表面，其中該MCI不會穿入該基板表面超過約50 Å以形成 一層於該基板上。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中實質上所有MCI均具有±3至±6的電荷。
  16. 如申請專利範圍第14項之方法，其中實質上所有MCI均具有介於約5 eV與200 eV之間的動能。
  17. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該粒子束來源係經配置以產生帶多電荷的離子。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該來源係選自電子迴旋加速共振(ECR)離子源、多峰離子源或電子束離子阱(EBIT)離子源。
  19. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該MCI包含碳。
  20. 如申請專利範圍第19項之方法，其中該MCI具有±3至±6的電荷。
TW102104213A 2012-02-03 2013-02-04 形成層的方法 TWI516621B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261594547P 2012-02-03 2012-02-03

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201348475A TW201348475A (zh) 2013-12-01
TWI516621B true TWI516621B (zh) 2016-01-11

Family

ID=47790495

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW102104213A TWI516621B (zh) 2012-02-03 2013-02-04 形成層的方法

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9275833B2 (zh)
EP (1) EP2810298A1 (zh)
JP (1) JP2015517020A (zh)
KR (1) KR101701731B1 (zh)
CN (1) CN104303265B (zh)
MY (1) MY174290A (zh)
TW (1) TWI516621B (zh)
WO (1) WO2013116595A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130161505A1 (en) * 2011-04-07 2013-06-27 Seagate Technology Llc Methods of forming layers
CN104303265B (zh) 2012-02-03 2018-08-14 希捷科技有限公司 形成层的方法
US9280989B2 (en) 2013-06-21 2016-03-08 Seagate Technology Llc Magnetic devices including near field transducer

Family Cites Families (58)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4898774A (en) * 1986-04-03 1990-02-06 Komag, Inc. Corrosion and wear resistant magnetic disk
JPS63206387A (ja) * 1987-02-19 1988-08-25 Nissin Electric Co Ltd ダイヤモンド薄膜の作製方法
US4822466A (en) 1987-06-25 1989-04-18 University Of Houston - University Park Chemically bonded diamond films and method for producing same
US5113074A (en) 1991-01-29 1992-05-12 Eaton Corporation Ion beam potential detection probe
US5379712A (en) 1991-08-20 1995-01-10 Implant Sciences Corporation Method of epitaxially growing thin films using ion implantation
US5370855A (en) * 1991-11-25 1994-12-06 Gruen; Dieter M. Conversion of fullerenes to diamond
DE4200235C1 (zh) * 1992-01-08 1993-05-06 Hoffmeister, Helmut, Dr., 4400 Muenster, De
US5327475A (en) * 1992-08-18 1994-07-05 Ruxam, Inc. Soft x-ray submicron lithography using multiply charged ions
FR2718568B1 (fr) * 1994-04-06 1996-07-05 France Telecom Procédé d'implantation haute énergie à partir d'un implanteur de type faible ou moyen courant et dispositifs correspondants.
JP3318154B2 (ja) * 1995-06-07 2002-08-26 株式会社日立製作所 荷電粒子ビーム投射方法およびその装置
US5785825A (en) * 1995-07-20 1998-07-28 Seagate Technology, Inc. Multi-phase overcoats for magnetic discs
AU3293097A (en) 1996-05-31 1998-01-05 Akashic Memories Corporation Recording media having protective overcoats of highly tetrahedral amorphous carbon and methods for their production
US5693939A (en) * 1996-07-03 1997-12-02 Purser; Kenneth H. MeV neutral beam ion implanter
JP3819566B2 (ja) * 1997-10-28 2006-09-13 日本放送協会 ダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の成膜方法
US6312766B1 (en) 1998-03-12 2001-11-06 Agere Systems Guardian Corp. Article comprising fluorinated diamond-like carbon and method for fabricating article
US6130436A (en) 1998-06-02 2000-10-10 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Acceleration and analysis architecture for ion implanter
US6312798B1 (en) 1998-09-25 2001-11-06 Seagate Technology Llc Magnetic recording medium having a nitrogen-doped hydrogenated carbon protective overcoat
US6303214B1 (en) * 1999-04-14 2001-10-16 Seagate Technology Llc Magnetic recording medium with high density thin dual carbon overcoats
FR2793349B1 (fr) * 1999-05-07 2003-06-27 X Ion Procede de croissance d'une couche d'oxyde de silicium de faible epaisseur sur une surface de substrat de silicium et machine a deux reacteurs de mise en oeuvre
US6632483B1 (en) 2000-06-30 2003-10-14 International Business Machines Corporation Ion gun deposition and alignment for liquid-crystal applications
US6589676B1 (en) 2000-07-25 2003-07-08 Seagate Technology Llc Corrosion resistant magnetic thin film media
US20030054133A1 (en) 2000-08-07 2003-03-20 Wadley Hadyn N.G. Apparatus and method for intra-layer modulation of the material deposition and assist beam and the multilayer structure produced therefrom
US6641932B1 (en) 2000-09-05 2003-11-04 Seagate Technology, Llc Magnetic thin film media with chromium capping layer
US6902773B1 (en) * 2000-11-21 2005-06-07 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands, B.V. Energy gradient ion beam deposition of carbon overcoats on rigid disk media for magnetic recordings
US7064491B2 (en) 2000-11-30 2006-06-20 Semequip, Inc. Ion implantation system and control method
JP2002235168A (ja) * 2001-02-08 2002-08-23 Sumitomo Electric Ind Ltd 成膜方法および成膜装置
JP3912993B2 (ja) 2001-03-26 2007-05-09 株式会社荏原製作所 中性粒子ビーム処理装置
JP2003042930A (ja) 2001-08-03 2003-02-13 Pioneer Electronic Corp 近接場光発生素子及びこれを具備してなる光学装置
JP4184668B2 (ja) 2002-01-10 2008-11-19 富士通株式会社 Ｃｐｐ構造磁気抵抗効果素子
JP2006500741A (ja) 2002-09-23 2006-01-05 エピオン コーポレーション ガスクラスタイオンビーム処理システム及び方法
JP4560712B2 (ja) * 2003-07-18 2010-10-13 イーエムエス ナノファブリカツィオン アーゲー 超高および超低運動イオン・エネルギーによるターゲットのイオン照射
JP4092280B2 (ja) * 2003-10-23 2008-05-28 株式会社東芝 荷電ビーム装置および荷電粒子検出方法
US7902527B2 (en) 2004-05-18 2011-03-08 Jiong Chen Apparatus and methods for ion beam implantation using ribbon and spot beams
US7067807B2 (en) 2004-09-08 2006-06-27 Applied Materials, Israel, Ltd. Charged particle beam column and method of its operation
US7868305B2 (en) 2005-03-16 2011-01-11 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Technique for ion beam angle spread control
CN101490791B (zh) 2006-06-12 2011-04-13 艾克塞利斯科技公司 离子注入机内的射束角度调节
US7476855B2 (en) 2006-09-19 2009-01-13 Axcelis Technologies, Inc. Beam tuning with automatic magnet pole rotation for ion implanters
JP4597933B2 (ja) 2006-09-21 2010-12-15 昭和電工株式会社 磁気記録媒体の製造方法、並びに磁気記録再生装置
JP5278887B2 (ja) 2006-11-20 2013-09-04 セイコーインスツル株式会社 近接場光ヘッド及び情報記録再生装置
US7544958B2 (en) * 2007-03-23 2009-06-09 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Contamination reduction during ion implantation
US20080305598A1 (en) 2007-06-07 2008-12-11 Horsky Thomas N Ion implantation device and a method of semiconductor manufacturing by the implantation of ions derived from carborane molecular species
US8248891B2 (en) 2008-11-18 2012-08-21 Seagate Technology Llc Near-field transducers for focusing light
KR100927995B1 (ko) * 2008-11-20 2009-11-24 한국기초과학지원연구원 전자 맴돌이 공명 이온원 장치 및 그의 제조방법
US7965464B2 (en) 2008-11-20 2011-06-21 Seagate Technology Llc Heat-assisted magnetic recording with shaped magnetic and thermal fields
US20100190036A1 (en) 2009-01-27 2010-07-29 Kyriakos Komvopoulos Systems and Methods for Surface Modification by Filtered Cathodic Vacuum Arc
US8455060B2 (en) * 2009-02-19 2013-06-04 Tel Epion Inc. Method for depositing hydrogenated diamond-like carbon films using a gas cluster ion beam
US7998607B2 (en) 2009-07-31 2011-08-16 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands, B.V. Partially-oxidized cap layer for hard disk drive magnetic media
US8325567B2 (en) 2009-09-10 2012-12-04 Tdk Corporation Thermally-assisted magnetic recording head comprising near-field light generator
US8427925B2 (en) 2010-02-23 2013-04-23 Seagate Technology Llc HAMR NFT materials with improved thermal stability
US8339740B2 (en) 2010-02-23 2012-12-25 Seagate Technology Llc Recording head for heat assisted magnetic recording with diffusion barrier surrounding a near field transducer
US8375565B2 (en) 2010-05-28 2013-02-19 Western Digital (Fremont), Llc Method for providing an electronic lapping guide corresponding to a near-field transducer of an energy assisted magnetic recording transducer
US8351307B1 (en) 2010-06-04 2013-01-08 Western Digital (Fremont), Llc Trailing edge optimized near field transducer having non-rectangular pin cross section
US8077559B1 (en) 2010-06-25 2011-12-13 Tdk Corporation Thermally-assisted magnetic recording head including plasmon generator
US8351151B2 (en) 2010-11-02 2013-01-08 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. Thermally assisted magnetic write head employing a near field transducer (NFT) having a diffusion barrier layer between the near field transducer and a magnetic lip
CN104303265B (zh) 2012-02-03 2018-08-14 希捷科技有限公司 形成层的方法
US20130202809A1 (en) * 2012-02-03 2013-08-08 Seagate Technology Llc Methods of forming layers
US9288889B2 (en) 2013-03-13 2016-03-15 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Apparatus and techniques for energetic neutral beam processing
US20150064365A1 (en) 2013-08-29 2015-03-05 Seagate Technology Llc Methods of forming films

Also Published As

Publication number Publication date
CN104303265A (zh) 2015-01-21
CN104303265B (zh) 2018-08-14
US20130200280A1 (en) 2013-08-08
EP2810298A1 (en) 2014-12-10
MY174290A (en) 2020-04-02
KR101701731B1 (ko) 2017-02-02
US9275833B2 (en) 2016-03-01
WO2013116595A1 (en) 2013-08-08
JP2015517020A (ja) 2015-06-18
KR20140145123A (ko) 2014-12-22
TW201348475A (zh) 2013-12-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20160138154A1 (en) Methods of forming layers
Aumayr et al. Potential sputtering
KR101663063B1 (ko) 층들을 형성하는 방법들
TW200938643A (en) Method for directional deposition using a gas cluster ion beam
TWI516621B (zh) 形成層的方法
US20180245213A1 (en) Methods of forming films
Avasthi et al. Studies on carbon nanotubes and fullerenes under extreme conditions
von Keudell et al. Unraveling synergistic effects in plasma-surface processes by means of beam experiments
Facsko et al. Surface nanostructures by single highly charged ions
Wu et al. Investigation on gallium ions impacting monolayer graphene
Ebm et al. Quantitative simulation of ion-beam induced deposition of nanostructures
Rajput et al. Fabrication and manipulation of nanopillars using electron induced excitation
Banerjee et al. An ultrahigh vacuum complementary metal oxide silicon compatible nonlithographic system to fabricate nanoparticle-based devices
Belianinov et al. Helium Ion Microscopy
Yamada Applications of gas cluster ion beams for materials processing
Yamada et al. Current research and development topics on gas cluster ion-beam processes
Lee et al. In‐situ observation of ion beam‐induced nanostructure formation on a Cu (In, Ga) Se2 Surface
Satake et al. Surface deformation of Ar+ ion collision process via molecular dynamics simulation with comparison to experiment
bin Mohamad et al. Fabrication of 30-nm-Pitched CoPt Magnetic Dot Arrays Using 30-keV-Electron Beam Lithography and Ion Milling for Patterned Media
WO2014120233A1 (en) Methods of forming layers
WO2014120232A1 (en) System for low energy ion implantation and layer formation
Rezeq et al. Nanotip technology for scanning probe microscopy
Sattler Clusters and Fullerenes
Lee et al. Electron-irradiation-induced phase change in nanomaterials
Mondal et al. Formation of isolated islands by size-selected copper nanocluster deposition

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees