專利名稱：薄膜制作方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明提供了一種借助等離子體CVD方法在基片的內壁表面上形成薄膜的方法和系統，所述表面面向在所述基片中形成的空間。
背景技術：
已知在基片上形成諸如鉆石膜或類鉆石碳膜的硬膜以將耐蝕性給予該基片。最近，已設法在管狀體的內壁表面上形成硬膜，其應用包括各種產品。
這種硬膜是由所謂的等離子體CVD過程形成的。依照該過程，例如，用諸如氫氣的載氣將諸如甲烷氣的氣態原料引入到爐內用于等離子體生成反應。然后用微波或高頻波來激勵這種原料氣以生成等離子體反應氣，從而導致基片上的化學反應。然而，等離子體CVD過程對于在盤形組件或具有簡單形狀的其它組件上均勻地形成特定硬膜是有用的。然而，困難的是在具有復雜形狀的基片上，如在管狀組件的內壁表面上均勻地形成硬膜，這是因為基片的整個表面上的等離子體反應氣的供應趨向于不足。
根據日本專利申請62-136,569A，將石墨電極置于管狀組件的內部，并且設法直接從管狀組件內部的氣態原料生成等離子體反應氣。依照該過程，可在管狀組件的內部表面上引入大量的等離子體反應氣。因此有可能容易在管狀組件的內部表面上均勻地形成相對厚且硬的膜。
根據日本專利申請2002-339,072A，在管狀組件的上游和下游之間產生壓力差以使用于等離子體反應的氣體流到管狀組件的內部空間。DC偏置電壓和脈沖電壓被施加于管狀組件上以在管狀組件的內壁表面上成功地形成薄膜。

發明內容
日本專利申請2002-339,072A中所述的技術是優異的，這是因為具有極佳質量的薄膜可被形成而無需將電極插入到管狀組件中的內部空間中。發明人進一步研究了該技術，并發現由于管狀組件的內徑較小，等離子體反應氣不能容易地經過管狀組件中的空間。到該空間中的反應氣的供應量因此變得較小，從而使薄膜的形成變得困難并且膜的質量可能惡化。此外，當管狀組件的一端被密封時，反應氣被阻止了在管狀組件的內部空間中流動。用于等離子體反應的氣體的供應量由此變小，從而使薄膜的形成變得困難并且膜的質量可能惡化。
本發明的目的是在一個過程中可再現地形成薄膜，所述過程用于通過等離子體CVD在面向基片中的空間的內壁表面上形成薄膜。
本發明提供了一種在面向在所述基片中形成的空間的基片的內壁表面上產生薄膜的方法。所述方法具有以下步驟在用于等離子體CVD(化學氣相淀積)過程的室中提供基片；以及使用于等離子體反應的氣體流到所述空間中并將脈沖電壓施加于基片上而基本上不將直流偏置電壓施加于基片上，從而在內壁表面上形成薄膜。
本發明進一步提供了用于在基片的內壁表面上產生薄膜的系統，所述表面面向在所述基片中形成的空間。所述系統具有用于等離子體CVD并用于容納基片的室，用于將等離子體反應氣供應給所述室的供應孔，以及用于將脈沖電壓施加于基片上的裝置。所述氣體被流到所述空間中，并且所述裝置將脈沖電壓施加于所述基片上，而基本上不將直流偏置電壓施加于基片上，從而在內壁表面上形成薄膜。
發明人發現了以下事實。就是說，即使當空間的直徑小的時候，或者當空間被密封時，通過由脈沖電壓施加裝置將脈沖電壓施加于基片上而基本上不施加直流偏置電壓，可以可再現地形成薄膜。
一般情況下是在用于將脈沖電壓施加于基片上的過程中將直流偏置電壓施加于基片上以生成反應氣的等離子體，從而形成CVD膜。與此相反，根據本發明，即使當空間的直徑小的時候，或者當空間被密封時，通過由脈沖電壓施加裝置將脈沖電壓施加于基片上而基本上不施加直流偏置電壓，可以可再現地形成薄膜。這樣的發現出乎本領域技術人員的意料。
當與附圖結合時，基于閱讀本發明的以下描述將理解，本發明的這些和其它目的、特定和優點，同時理解可由本領域的技術人員對其做出一些修改、變動和改變。


圖1是示意性地示出依照本發明一個實施例用于形成薄膜的系統的方塊圖。
圖2(a)是示出管狀組件20、空間23和在面向空間23的內壁表面上形成的薄膜22的截面圖。
圖2(b)是示出管狀組件20A、空間23A和在面向空間23A的內壁表面上形成的薄膜22的截面圖。
圖2(c)是示出管狀組件20B、空間23B和在面向空間23B的內壁表面上形成的薄膜22的截面圖。
圖3是示出拉曼光譜的圖，該拉曼光譜是通過對在基片的內壁表面上形成的類鉆石碳膜的拉曼光譜分析而獲得的。
具體實施例方式
在本發明中，薄膜是通過等離子體CVD過程在面向基片空間的內壁表面上形成的。所述空間的形狀和尺度不被具體限制。此外，基片可優選為管狀或圓筒形。該管狀或圓筒形組件具有在其中形成的一個伸長的空間，其在組件的長度方向上延伸。然而，基片不局限于這樣的管狀或圓筒形組件，例如，多個空間可被形成于一個基片中。
空間的直徑(基片的內徑)不被具體限制。當空間的直徑較大時，在面向空間的內壁表面上形成薄膜變得容易。因此空間的上限不被具體限制。另一方面，當空間直徑是10mm或更小時，在現有技術中，在面向該空間的內壁表面上形成薄膜通常是困難的。本發明在這種情況下是特別有用的。就此而言，當空間直徑是3mm或更小時，本發明是最有用的。盡管空間直徑的下限不被具體限定，本發明對于在面向具有例如0.001mm或更大并且優選為0.01mm或更大直徑的空間的內壁表面上形成薄膜是有用的。
由脈沖電壓施加的基片中的電場不被具體限制。所述電場可優選為20到300kV/m，且更優選為20到200kV/m。
脈沖電壓的脈沖寬度不被具體限制并且可優選為1μs到50μs。
脈沖電壓的脈沖周期不被具體限制并且可優選為100Hz到10000Hz。
依照本發明，脈沖電壓被施加于基片上而基本上不施加直流偏置電壓。換句話說，通過具有施加直流偏置電壓能力的電源將直流偏置電壓施加于基片上的操作不被執行。直流電勢可由于除了直流偏置電壓以外的原因而被感應于陰極和陽極之間。然而，本發明包含該實施例，這是因為直流偏置電壓不通過電源來施加。
在優選實施例中，在基片的縱向方向上產生壓力差以便于等離子體反應氣流到基片的空間中。可通過不被具體限制的任何方法來產生壓力差。在一個實施例中，用于產生磁場的裝置被提供以在基片的縱向方向或寬度上產生磁場。等離子體反應氣由該磁場捕獲并被流到基片的空間中。
在本發明的另一個實施例中，用于排放氣體的機構被提供以在基片的縱向方向上產生壓力差。因此有可能便于等離子體反應氣體流到基片的空間中。
圖1是示出依照本發明一個實施例用于產生薄膜的系統的方塊圖。圖1中所示的用于產生薄膜的系統具有用于形成膜的室1，以及用于產生壓力差的裝置，其由用于控制壓力的箱(tank)2-1和泵2-2組成。所述系統進一步具有線圈3，其作為用于產生磁場的裝置；以及用于產生電場的裝置，其由陽極4-1和陰極4-2組成。陽極4-1是接地，而陰極4-2與用于高電壓脈沖的源6連接。用于直流電壓的電源未被提供。
此外，用于引入氣態原料的氣體供應孔7和用于將室1中的壓力維持在預定值的泵8被提供于室1中。此外，壓力表9和窗口10被提供。因此有可能監視室1內的真空度和等離子體反應氣的狀態。基片20被提供并固定在陰極4-2上。
在用泵8將室1抽空(evacuate)到預定真空度之后，通過氣體供應孔7將氣態原料供應到室1中。通過用泵8抽空而將室1中的壓力維持在預定值。借助在室1中提供的壓力表9來監視真空度。
用于施加高電壓脈沖的源6然后施加脈沖電壓以激勵氣態原料以產生等離子體反應氣。
通過用于控制壓力的箱2-1借助泵2-2來抽空陰極4-2和被放置在陰極上的基片20周圍的空間，從而在基片20的縱向方向“X”上產生壓力差或梯度。基片20的縱向方向X上的后部B處的壓力可優選為縱向方向X上的前部A處的壓力的1/10或更低，并且更優選為1/100或更低。因此有可能將等離子體反應氣有效地引入到基片20的空間中。
在優選實施例中，室1中的壓力是大約10-2托，而基片20的縱向方向X上的前部A處的壓力也是大約10-2托。在此情況下，借助用于控制壓力的箱2-1和泵2-2將管狀組件20的縱向方向X上的后部B處的壓力控制在大約10-3到10-4托的值。
電流流到線圈3以在基片20的縱向方向X上產生磁場。磁場可優選地被聚焦(focus)以使磁場的寬度在與基片20的縱向方向X垂直的方向Y上小于基片20的內徑。因此有可能提高到基片20中的等離子體反應氣的流比(f1ow ratio)以便于將薄膜形成到面向基片20的空間的內壁表面上。
圖2(a)、2(b)和2(c)是截面圖，其每個示出了在每個管狀基片20、20A或20B上形成的薄膜22。
圖2(a)中所示的基片20具有相對大的內徑(空間23的直徑)“d”，從而使等離子體反應氣容易如箭頭D和E所示經過空間23。23a表示與空間連通的開口。與在圖2(a)中相比，圖2(b)中所示的基片20A具有較小的內徑(空間23A的直徑)“d”。當氣體如箭頭D所示流到空間中時，氣體如箭頭E所示被排放之前的壓力損失較大。依照現有過程可能難以有效地形成薄膜。在圖2(c)中所示的基片20B中，密封部分20c被提供于氣流的下游以防止氣體流到空間23B中。本發明對于在該內壁表面上形成薄膜仍然是有效的。
此外，在基片的內壁表面上形成的薄膜的種類不被具體限制，并且包括鉆石、類鉆石碳、TiN、TiCN、WC、W2C、W3C、SiO2、SiNx、a-SiH、BCN、BN、CN等。
在優選實施例中，薄膜由鉆石或類鉆石碳制成。這樣的基片被用作滑動組件(s1iding menber)。
實例依照在以上參考圖1所述的過程，如圖2(c)中所示，類鉆石碳的膜22被形成于基片20B的內壁表面20b上。具體而言，基片20B的外徑是5mm，內徑是0.9mm，并且長度是20mm。
基片20B被安裝并固定在陰極4-2上，并且借助泵8將室1的內部抽空到1×10-4到1×10-5托的真空度。通過氣體供應孔7以20cm3/min的流率引入C2H2氣體，并且通過控制借助泵8進行的抽空將室1中的壓力維持在3.75×10-2托。用高電壓脈沖源6將8.0kV的脈沖電壓施加于陽極4-1和陰極4-2之間以產生C2H2氣體等離子體。陽極4-1和陰極4-2之間的距離是10cm，因此80kV/m的電場被產生于陽極4-1和陰極4-2之間。脈沖電壓的脈沖寬度是20μsec，并且脈沖周期是5000Hz。
使用用于控制壓力的箱2-1和泵2-2將基片20的縱向方向X上的后部“B”處的壓力調節于4.5×10-4托。此外，電流流到線圈3中以在基片的縱向方向上產生0.01T的磁場。所述壓力和磁場被維持15分鐘并且C2H2等離子體氣體被引入到基片的空間23B。由此在內壁表面20b上產生類鉆石碳膜。
圖3是示出拉曼光譜的圖，該拉曼光譜是通過對在基片的內壁表面上形成的類鉆石碳膜的拉曼光譜分析而獲得的。如可從圖3看到的，由于類鉆石碳而造成的大約1360cm-1和1580cm-1附近的特征散射峰值被觀察到。由此證明了類鉆石碳的膜的存在。
如以上所述，可在一個過程中可再現地形成薄膜，該過程用于通過等離子體CVD在面向在基片中形成的空間的內壁表面上形成薄膜。
已參考優選實施例說明了本發明。然而，本發明不局限于僅為了舉例而給出的所示實施例，并且可在本發明的范圍內以各種模式被實施。
權利要求
1.一種通過等離子體CVD在面向在所述基片中形成的空間的基片的內壁表面上產生薄膜的方法，所述方法包括以下步驟在用于等離子體CVD的室中提供所述基片；以及將用于等離子體反應的氣體流到所述空間中并將脈沖電壓施加于所述基片上而基本上不將直流偏置電壓施加于所述基片上，從而在所述內壁表面上形成所述薄膜。
2.權利要求1的方法，其中壓力差被產生于所述基片的縱向方向上。
3.權利要求1或2的方法，其中所述基片具有在其中與所述空間連通的一個開口。
4.權利要求1到3的任何一個的方法，其中所述薄膜包括鉆石或類鉆石碳。
5.一種用于通過等離子體CVD在面向在所述基片中形成的空間的基片的內壁表面上產生薄膜的系統，所述系統包括用于等離子體CVD并用于容納所述基片的室；用于將等離子體反應氣供應到所述室中的供應孔；以及用于將脈沖電壓施加于所述基片上的裝置，其中所述氣體被流到所述空間中，并且所述裝置將脈沖電壓施加于所述基片上，而基本上不將直流偏置電壓施加于所述基片上，從而在所述內壁表面上形成所述薄膜。
6.權利要求5的系統，進一步包括用于在所述基片的縱向方向上產生壓力差的裝置。
7.權利要求5或6的系統，其中所述基片具有在其中與所述空間連通的一個開口。
8.權利要求5到7的任何一個的系統，其中所述薄膜包括鉆石或類鉆石碳。
全文摘要
本發明的目的是在一個過程中可再現地形成薄膜，所述過程用于通過等離子體CVD在面向在基片中形成的空間的內壁表面上形成薄膜。薄膜22被產生于基片20的內壁表面20b上，該表面面向在基片20中形成的空間23。基片20被包含在用于等離子體CVD過程的室中。用于等離子體反應的氣體然后被流到空間23中并且脈沖電壓被施加于基片20上，而基本上不將直流偏置電壓施加于基片20上，從而在內壁表面20b上形成薄膜。
文檔編號C30B29/04GK1523132SQ20041000525
公開日2004年8月25日 申請日期2004年2月17日 優先權日2003年2月17日
發明者齊藤隆雄, 中村幸則, 近藤好正, 大竹尚登, 則, 正, 登 申請人:日本礙子株式會社