單層和多層中的應(yīng)力和分層控制

引言

類金剛石碳(DLC)膜具有諸如高硬度和低摩擦系數(shù)的優(yōu)異特性，并且在切削工具、金屬模具和機(jī)器部件中具有應(yīng)用。不幸的是，它們通常表現(xiàn)出低粘合強(qiáng)度由于高的內(nèi)部壓縮應(yīng)力，導(dǎo)致從襯底上剝離。英思特已經(jīng)嘗試了各種方法來(lái)降低內(nèi)應(yīng)力，包括引入附加元素如硅和氮、金屬、陶瓷和DLC脈沖偏壓等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)和過(guò)濾陰極真空電弧(FCVA)。在這項(xiàng)工作中，英思特對(duì)FCVA和放射性兩種沉積方法獲得的固有應(yīng)力值進(jìn)行了比較頻率(RF)等離子體化學(xué)氣相沉積(CVD)。

實(shí)驗(yàn)與討論

英思特采用射頻等離子體化學(xué)氣相沉積和襯底偏壓電源制備了單層和多層碳膜，襯底偏壓電源在30kV高壓下工作，脈沖偏壓持續(xù)時(shí)間為400μs，重復(fù)頻率為60 Hz。

有兩個(gè)因素影響FCVA沉積速率:(1)有助于電弧穩(wěn)定的氬氣流速，和(2)施加到連接到陰極電弧的導(dǎo)管過(guò)濾線圈上的偏壓(過(guò)濾強(qiáng)度)。對(duì)于這兩種沉積方法，我們沉積了厚度約為200-300納米的碳膜，從由FCVA系統(tǒng)沉積的膜獲得的應(yīng)力值的不確定性在較小程度上是由于膜的均勻性和粗糙度引起的。

從FCVA系統(tǒng)沉積的膜中容易獲得膜厚度值，而難以確定由RF等離子體系統(tǒng)沉積的類似厚度的DLC膜的膜厚度。然而，在兩種沉積方法中，應(yīng)力值顯示出先增大后減小的趨勢(shì)，峰值在大約150V負(fù)偏壓處。

根據(jù)固有應(yīng)力與施加的偏置電壓之間的關(guān)系，英思特定制了一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，由一層吸收其他層的過(guò)度內(nèi)應(yīng)力組成。圖1顯示了典型的高應(yīng)力膜，其在沉積后幾乎立即分層。然而，在脫層12小時(shí)后，添加了額外的吸收層，該額外的吸收層阻止了其進(jìn)一步脫層。

我們通過(guò)進(jìn)行銷(xiāo)壓和洛氏硬度壓痕試驗(yàn)來(lái)呈現(xiàn)磨損、粘附和硬度結(jié)果。將優(yōu)化的結(jié)構(gòu)沉積在25個(gè)TiN通用麻花鉆(GPT)上，并將附著力、洛氏硬度壓痕和壽命性能測(cè)試的結(jié)果與未處理的TiN GPT鉆頭進(jìn)行比較。在未涂覆和涂覆的DLC之間，洛氏硬度分別從50HRC增加到70HRC。

如圖2所示，基于當(dāng)球形金剛石壓頭尖端被壓入涂覆在GPT鉆頭頂部的碳膜中時(shí)通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察到的變形，膜在鉆頭上的粘附強(qiáng)度可以通過(guò)變形邊緣周?chē)拿搶迎h(huán)來(lái)確定。環(huán)越厚，薄膜分層越嚴(yán)重，粘合強(qiáng)度越差。因此，為了獲得高粘附強(qiáng)度和高硬度，薄膜必須盡可能減少壓痕區(qū)域周?chē)姆謱印?/p>

結(jié)論

英思特研究了等離子體沉積系統(tǒng)制備的單層和多層薄膜的內(nèi)應(yīng)力。盡管沉積速率存在差異，但在兩種方法中觀察到相似的趨勢(shì)，其中內(nèi)在應(yīng)力在大約150 V處達(dá)到峰值。由150 V的襯底偏壓產(chǎn)生的高應(yīng)力膜立即分層，然而，利用低應(yīng)力的額外控制層，該問(wèn)題可以被克服。我們通過(guò)來(lái)自壓痕和性能測(cè)試的證據(jù)表明，DLC涂層中的應(yīng)力控制導(dǎo)致更強(qiáng)的粘附強(qiáng)度和更好的壽命性能。

江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司主要從事濕法制程設(shè)備，晶圓清潔設(shè)備，RCA清洗機(jī)，KOH腐殖清洗機(jī)等設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)。

審核編輯 黃宇