EP0906636B1

Highly tetrahedral amorphous carbon films and methods and ion-beam source for their production

Abstract

The invention provides systems and methods for the deposition of an improved diamond-like carbon material, particularly for the production of magnetic recording media. The diamond-like carbon material of the present invention is highly tetrahedral, that is, it features a large number of the sp<3> carbon-carbon bonds which are found within a diamond crystal lattice. The material is also amorphous, providing a combination of short-range order with long-range disorder, and can be deposited as films which are ultrasmooth and continuous at thicknesses substantially lower than known amorphous carbon coating materials. The carbon protective coatings of the present invention will often be hydrogenated. In a preferred method for depositing of these materials, capacitive coupling forms a highly uniform, selectively energized stream of ions from a dense, inductively ionized plasma. Such inductive ionization is enhanced by a relatively slow moving (or "quasi-static") magnetic field, which promotes resonant ionization and ion beam homogenization.

EP0906636B1, drawing sheet 1
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Expired 29 May 2017, 9.3 years ago.

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19 claims: 19 independent, 0 dependent

  1. 1
    A diamond-like amorphous highly tetrahedral carbon film, said film being pin-hole free and comprising carbon in the range of between 72 and 92 atomic percent and hydrogen in the range of between 8 and 18 atomic percent and having a thickness of less than about 7.5 nm (75 Å), wherein between 70 and 85 % of the carbon-carbon bonds of said film are sp3 bonds. Diamantähnlicher (diamantartiger), amorpher hochtetraedrischer Kohlenstoffilm (Kohlenstoffschicht), wobei der Film frei von Fehlstellen (Pin-holes) ist und Kohlenstoff im Bereich von 72 bis 92 Atom-% und Wasserstoff im Bereich von 8 bis 18 Atom-% aufweist und eine Dicke von weniger als etwa 7,5 nm (75 Å) aufweist, wobei 70 bis 85 % der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen des Films sp3-Bindungen sind. Film à haute teneur en carbone tétraédrique, amorphe et analogue au diamant, ledit film étant exempt de lacunes de discontinuité, comprenant du carbone en concentration atomique comprise entre 72 et 92 % et de l'hydrogène en concentration atomique comprise entre 8 et 11 % et présentant une épaisseur inférieure à 7,5 nm (75 Å) environ, caractérisé en ce que de 70 à 85 % des liaisons carbone-carbone dudit film sont des liaisons sp3.
  2. 2
    Carbon film according to claim 1, said film having a thickness of less than 5.0 nm (50 Å). Film de carbone selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente une épaisseur inférieure à 5,0 nm (50 Å). Kohlenstoffilm nach Anspruch 1, wobei der Film eine Dicke von weniger als 5,0 nm (50 Å) aufweist.
  3. 3
    Carbon film according to claim 1 or 2, said film comprising at least 4 atomic percent of nitrogen. Film de carbone selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins 4 % d'atomes d'azote. Kohlenstoffilm nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Film mindestens 4 Atom-% Stickstoff aufweist.
  4. 4
    A method for deposition of the diamond-like amorphous highly tetrahedral carbon film according to claims 1 to 3 onto a substrate, said method comprising:inductively ionizing acetylene to form a plasma;confining the plasma within a plasma volume;capacitatively coupling the plasma between a coupling electrode and an extraction electrode to form a stream flowing outwardly from within the plasma volume, the stream including carbon ions from the plasma;anddirecting the stream onto the substrate. Procédé pour déposer le film à haute teneur en carbone tétraédrique, amorphe et analogue au diamant selon l'une des revendications 1 à 3 sur un substrat, ledit procédé comportant les étapes suivantes : ioniser, par mode inductif, de l'acétylène pour former un plasma ;confiner le plasma à l'intérieur d'un volume plasmique ;coupler, selon un mode capacitif, le plasma entre une électrode de couplage et une électrode d'extraction afin de former un flux s'écoulant vers l'extérieur à partir de l'intérieur du volume plasmique, le flux renfermant des ions carbone issus du plasma ;etdiriger le flux sur le substrat. Verfahren zur Abscheidung bzw. Auftragung von diamantähnlichen, amorphen hochtetraedrischen Kohlenstoffilmen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 auf einem Substrat, wobei das Verfahren umfaßt: - induktive Ionisierung von Acetylen zur Bildung eines Plasmas;- Eingrenzung des Plasmas in einem Plasmavolumen;- kapazitive Kopplung des Plasmas zwischen einer Kopplungselektrode und einer Extraktionselektrode zur Bildung eines aus dem Plasmavolumen hinausfließenden Stroms, wobei der Strom Kohlenstoffionen aus dem Plasma enthält;und- Ausrichtung des Stroms auf das Substrat.
  5. 5
    A method according to claim 4, wherein the impact energy is between 57 and 130 eV for each carbon atom. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'énergie d'impact sur le substrat est comprise entre 57 et 130 eV pour chaque atome de carbone. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Aufschlagenergie (Einschlagenergie) für jedes Kohlenstoffatom 57 bis 130 eV beträgt.
  6. 6
    A method according to claim 4, wherein the impact energy is between 80 and 120 eV for each carbon atom. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'énergie d'impact sur le substrat est comprise entre 80 et 120 eV pour chaque atome de carbone. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Aufschlagenergie für jedes Kohlenstoffatom 80 bis 120 eV beträgt.
  7. 7
    A method according to claims 4 to 6, said method further comprising moving a magnetic field through the plasma volume to promote even resonant inductive ionization and to homogenize the ion stream. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape consistant à déplacer un champ magnétique à travers le volume plasmique afin de promouvoir son ionisation régulière par mode inductif résonant et d'homogénéiser le flux ionique. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Verfahren weiterhin die Bewegung eines Magnetfeldes durch das Plasmavolumen zur Unterstützung auch einer resonanten induktiven Ionisierung und zur Homogenisierung des lonenstroms umfaßt.
  8. 8
    A method according to claim 7, wherein moving the magnetic field comprises selectively energizing magnetic coils disposed about the plasma volume. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le déplacement du champ magnétique comporte l'excitation sélective de bobines magnétiques disposées autour du volume plasmique. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Bewegung des Magnetfelds eine selektive Anregung von um das Plasmavolumen angeordneten Magnetspulen umfaßt.
  9. 9
    A method according to claim 7 or 8, wherein the magnetic field rotates through the plasma volume with a frequency which is much less than the frequency of an alternating induction potential. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le champ magnétique tourne à travers le volume plasmique selon une fréquence qui est bien inférieure à la fréquence d'un potentiel alternatif d'induction. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Magnetfeld durch das Plasmavolumen mit einer Frequenz rotiert, welche viel kleiner als die Frequenz eines alternierenden Induktionspotentials ist.
  10. 10
    A method according to claims 7 to 9, wherein the magnetic field is transverse and rotates about an axis which is substantially normal to a capacitively coupled extraction grid. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le champ magnétique est transversal à et tourne autour d'un axe qui est substantiellement normal à une grille d'extraction en couplage par mode capacitif. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Magnetfeld transversal verläuft und um eine Achse, welche im wesentlichen senkrecht zu einem kapazitiv gekoppelten Extraktions- bzw. Auslaßgitter ist, rotiert.
  11. 11
    A method according to claims 7 to 10, wherein the magnetic field rotates with a frequency of less than 10 kHz. Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le champ magnétique tourne selon une fréquence inférieure à 10 kHz. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Magnetfeld mit einer Frequenz von weniger als 10 kHz rotiert.
  12. 12
    An ion-beam source (30, 50) for the deposition of diamond-like amorphous highly tetrahedral carbon films (18) onto a substrate (2), said ion-beam source comprising:a container (52) defining a plasma confinement volume (54), said container (52) having an opening;an antenna (94) disposed about said plasma volume (54) so that application of a first alternating potential to said antenna (94) is capable of inductively ionizing a plasma (38, 74) therein;andan extraction electrode (64) comprising a grid and being disposed over said opening of the container (52),characterized inthat said ion-beam source (30, 50) also comprises a coupling electrode (56) being exposed to said plasma volume (54) and being electrically coupled to said plasma volume (54);and that said extraction electrode (64) has a surface area which is substantially less than the coupling electrode surface so that application of a second alternating potential between said coupling electrode (56) and said extraction electrode (64) is capable of expelling ions of said plasma through the capacitively coupled grid. Ionenstrahlquelle (30, 50) zur Abscheidung bzw. Auftragung von diamantähnlichen, amorphen hochtetraedrischen Kohlenstoffilmen (18) auf einem Substrat (2), wobei die Ionenstrahlquelle umfaßt: - ein Gehäuse (52), welches ein plasmaeingrenzendes Volumen (54) definiert, wobei das Gehäuse (52) eine Öffnung aufweist;- eine Antenne (94), welche um das Plasmavolumen (54) angeordnet ist, so daß das Anlegen bzw. die Applikation eines ersten alternierenden Potentials an dieser Antenne (94) zu einer induktiven Ionisierung eines darin befindlichen Plasmas (38, 74) führt;und- eine Extraktionselektrode (64), welche ein Gitter umfaßt und über der Öffnung des Gehäuses (52) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet,daß die Ionenstrahlquelle (30, 50) auch eine Kopplungselektrode (56) aufweist, welche dem Plasmavolumen (54) ausgesetzt und elektrisch mit dem Plasmavolumen (54) gekoppelt ist;und daß die Extraktionselektrode (64) eine Oberfläche aufweist, welche im wesentlichen kleiner als die Oberfläche der Kopplungselektrode ist, so daß das Anlegen eines zweiten alternierenden Potentials zwischen der Kopplungselektrode (56) und der Extraktionselektrode (64) imstande ist, Ionen des Plasmas durch das kapazitiv gekoppelte Gitter auszustoßen. Source de faisceau ionique (30, 50) pour le dépôt de films (18) à haute teneur en carbone tétraédrique, amorphes et analogues au diamant sur un substrat (2), du type comprenant : une enceinte (52) définissant un volume de confinement plasmique (54) et présentant une ouverture ;une antenne (94) disposée autour dudit volume plasmique (54) de telle façon que l'application d'un premier potentiel alternatif à ladite antenne (94) soit capable d'ioniser par mode inductif un plasma (38, 74) ;etune électrode d'extraction (64) comprenant une grille et disposée sur ladite ouverture de l'enceinte (52),caractérisée ence que ladite source de faisceau ionique (30, 50) comprend également une électrode de couplage (56) disposée en regard dudit volume plasmique (54) et couplée électriquement audit volume plasmique (54) ;et en ce que ladite électrode d'extraction (64) présente une aire de surface qui est substantiellement plus petite que la surface de l'électrode de couplage, de telle façon que l'application d'un second potentiel alternatif entre ladite électrode de couplage (56) et ladite électrode d'extraction (64) soit capable d'éjecter des ions dudit plasma au travers de la grille en couplage par mode capacitif.
  13. 13
    An ion-beam source according to claim 12, said ion-beam source (30, 50) further comprising at least one coil (96) disposed adjacent to the container (52) and capable of applying a magnetic field to the plasma volume (54), the magnetic field being transverse relative to an axis through the opening. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 12, wobei die Ionenstrahlquelle (30, 50) weiterhin mindestens eine an das Gehäuse (52) angrenzende Spule (96) aufweist, die imstande ist, ein Magnetfeld an bzw. auf das Plasmavolumen (54) anzulegen, wobei das Magnetfeld transversal in bezug auf eine Achse durch die Öffnung ist. Source de faisceau ionique (30, 50) selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins une bobine (96) disposée au voisinage de l'enceinte (52) et capable d'appliquer un champ magnétique au volume plasmique (54), ledit champ magnétique étant transversal par rapport à un axe passant à travers l'ouverture.
  14. 14
    An ion-beam source according to claim 13, said ion-beam source (30, 50) further comprising a plurality of coils (96) disposed about the container (52) so that the magnetic field can be moved within the plasma volume (54) by selectively energizing one or more coils (96). Ionenstrahlquelle nach Anspruch 13, wobei die Ionenstrahlquelle (30, 50) weiterhin eine Mehrzahl von um das Gehäuse (52) angeordneten Spulen (96) aufweist, so daß das Magnetfeld in dem Plasmavolumen (54) durch selektive Anregung einer oder mehrerer Spulen (96) bewegt werden kann. Source de faisceau ionique (30, 50) selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une pluralité de bobines (96) disposées autour de l'enceinte (52) de telle façon que le champ magnétique puisse être déplacé à l'intérieur du volume plasmique (54) en excitant sélectivement une ou plusieurs bobines (96).
  15. 15
    An ion-beam source according to claim 14, wherein the plurality of coils (96) is radially disposed about the plasma confinement volume (54). Ionenstrahlquelle nach Anspruch 14, wobei die Mehrzahl von Spulen (96) radial um das das Plasma eingrenzende Volumen (54) angeordnet ist. Source de faisceau ionique (30, 50) selon la revendication 14, caractérisée en ce que la pluralité de bobines (96) est en disposition radiale autour du volume de confinement plasmique (54).
  16. 16
    An ion-beam source according to claims 12 to 15, wherein the plasma confinement volume (54) substantially defines a length and a diameter, wherein the opening is disposed at one end of the length, and wherein the length is between about one third the diameter and three times the diameter. Ionenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das das Plasma eingrenzende Volumen (54) im wesentlichen eine Länge und einen Durchmesser definiert, wobei die Öffnung an einem Längsende angeordnet ist und wobei die Länge von etwa ein Drittel des Durchmessers bis etwa das Dreifache des Durchmessers beträgt. Source de faisceau ionique (30, 50) selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisée en ce que le volume de confinement plasmique (54) définit substantiellement une longueur et un diamètre, selon lesquels l'ouverture est disposée à une extrémité de ladite longueur et selon lesquels ladite longueur est comprise environ entre un tiers du diamètre et trois fois le diamètre.
  17. 17
    An ion-beam source according to claims 12 to 16, wherein the container (52) comprises an electrically non-conductive material. Source de faisceau ionique (30, 50) selon l'une des revendications 12 à 16, caractérisée en ce que l'enceinte (52) comprend un matériau électriquement non conducteur. lonenstrahlquelle nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Gehäuse (52) ein elektrisch nichtleitendes Material umfaßt.
  18. 18
    An ion-beam source according to claim 17, wherein the antenna (94) comprises a single coil (96) separated from the plasma volume (54) by the non-conductive material. Ionenstrahlquelle nach Anspruch 17, wobei die Antenne (94) eine einzelne Spule (96), die von dem Plasmavolumen (54) durch das nichtleitende Material separiert ist, umfaßt. Source de faisceau ionique (30, 50) selon la revendication 17, caractérisée en ce que l'antenne (94) comprend une bobine unique (96) séparée du volume plasmique (54) par le matériau non conducteur.
  19. 19
    A deposition system comprising:an ion-beam source (30, 50) according to one of the claims 12 to 18;an RF potential supply (32) coupled to the inductive coupling antenna (94);a field potential supply (34) couplable to the at least one coil (96) to provide a magnetic field within the plasma volume (54);andan extraction power supply (36) coupled to the coupling electrode (56) and the extraction electrode (64). Abscheidungs- bzw. Auftragungssystem, umfassend: - eine Ionenstrahlquelle (30, 50) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18;- eine RF-Potentialversorgung (32), welche mit der induktiv koppelnden Antenne (94) gekoppelt ist;- eine Feldpotentialversorgung (34), welche mit mindestens einer Spule (96) koppelbar ist, um ein Magnetfeld in dem Plasmavolumen (54) bereitzustellen;und- eine Extraktionsspannungsversorgung (36), welche mit der Kopplungselektrode (56) und der Extraktionselektrode (64) gekoppelt ist. Système de dépôt sur un substrat comprenant : une source de faisceau ionique (30, 50) selon l'une des revendications 12 à 18 ;une alimentation en potentiel RF (32) couplée à l'antenne de couplage par mode inductif (94) ;une alimentation en potentiel de champ (34) susceptible d'être couplée à au moins une bobine (96) afin de fournir un champ magnétique à l'intérieur du volume plasmique (54) ;etune alimentation en énergie d'extraction (36) couplée à l'électrode de couplage (56) et à l'électrode d'extraction (64).
Independent claims19