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化學氣相沉積(PECVD)和過濾陰極真空電弧(FCVA)。在這項工作中，英思特對FCVA和放射性兩種沉積方法獲得的固有應(yīng)力值進行了比較頻率(RF)等離子體化學氣相沉積(CVD)。

實驗與討論

英思特采用射頻等離子體化學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)時間為400μs，重復(fù)頻率為60 Hz。

有兩個因素影響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)管過濾線圈上的偏壓(過濾強度)。對于這兩種沉積方法，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，峰值在大約150V負偏壓處。

根據(jù)固有應(yīng)力與施加的偏置電壓之間的關(guān)系，英思特定制了一個多層結(jié)構(gòu)，由一層吸收其他層的過度內(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小時后，添加了額外的吸收層，該額外的吸收層阻止了其進一步脫層。

我們通過進行銷壓和洛氏硬度壓痕試驗來呈現(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試的結(jié)果與未處理的TiN GPT鉆頭進行比較。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通過光學顯微鏡觀察到的變形，膜在鉆頭上的粘附強度可以通過變形邊緣周圍的脫層環(huán)來確定。環(huán)越厚，薄膜分層越嚴重，粘合強度越差。因此，為了獲得高粘附強度和高硬度，薄膜必須盡可能減少壓痕區(qū)域周圍的分層。

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，其中內(nèi)在應(yīng)力在大約150 V處達到峰值。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，該問題可以被克服。我們通過來自壓痕和性能測試的證據(jù)表明，DLC涂層中的應(yīng)力控制導(dǎo)致更強的粘附強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，KOH腐殖清洗機等設(shè)備的設(shè)計、生產(chǎn)和維護。

審核編輯 黃宇