在低熔點襯底上澱積金剛石狀碳膜的方法

2023-06-30 07:17:46 3

專利名稱：在低熔點襯底上澱積金剛石狀碳膜的方法
技術領域：
本發明涉及在塑料透鏡之類的低熔點襯底上真空澱積金剛石狀碳薄膜的一種工藝。
眼部佩帶物上保護眼睛免受強光照射用的光學透鏡總是屬於以下兩種透鏡中的一種。第一種透鏡包括那些由聚碳酸酯或CR39C(烯丙基二乙二醇碳酸酯)之類組成的塑料透鏡。這種透鏡的好處是較輕，在沉重衝擊下不致破碎。第二個好處是塑料材料上不難結合上象聚乙烯醇之類的偏振材料，使透鏡能防止擾人的反射眩光射到眼中。其一個嚴重的缺點是塑料材料較柔軟，因而易受到刮傷、變形，要不然就使其不能用作光學透鏡。另外，這種塑料材料實際上不能用周知的方法，例如，澱積上金剛石狀的碳膜加以硬化。因為這種方法一般是在高溫下進行的，襯底要升溫到其熔點以上。
第二種透鏡包括玻璃透鏡，這種透鏡明顯的好處是非常硬，因而在正常使用情況下實質上不致刮傷。因此這類材料製成的透鏡更經久耐用，可是它們卻具有一些明顯的缺點。第一，玻璃透鏡非常沉，因而用玻璃透鏡製成的眼部佩帶物戴起來不太舒服。第二，玻璃透鏡在夠沉重的衝擊下往往會破碎，而且價錢比塑料透鏡貴。另一個缺點是，在玻璃透鏡上加偏振材料還沒有一個確實可行的方法。
因此本技術領域中非常需要有這樣一種透鏡，這種透鏡兼有塑料透鏡和玻璃透鏡的優點，而沒有兩者的缺點。如果能找到一種將金剛石狀碳膜澱積到塑料透鏡或具塑料塗層或表面的透鏡上的方法，就能滿足上述要求。遺憾的是，目前還沒有周知的在這類襯底上澱積金剛石狀碳的實用方法。
目前在襯底澱積金剛石狀碳的工藝有好幾種。可是所公開的這些工藝中還沒有一個是可用在象塑料那樣熔點在80℃和150℃之間的襯底。一般認為，在許多情況下，這種工藝將襯底溫度提高到遠遠超過150℃，因而不能用以將金剛石狀碳澱積到塑料襯底上。但如稍後在本說明書中即將談到的那樣，本發明採用低於約150℃的較低溫度，最好低於100℃，最理想的情況低於約80℃，因此能在熔點較低的襯底上澱積金剛石狀碳。
專利權授予Aisenberg的美國專利3，961，103公開了一種往襯底上澱積金剛石狀碳膜的工藝，該工藝採用輝光放電碳離子源和射頻電場往襯底表面加上人注意的偏壓，同時防止襯底四周在有氫氣存在的情況下聚集著具排斥性的電荷。Aisenberg還這樣公開輝光放電碳離子源和襯底系分開固定在真空室中，碳離子通過連接兩真空室的特殊收斂式電極達到襯底，該收斂式電極與一提取電極在裝襯底的小室內按特殊的方式配置。這種工藝的缺點是需要兩個分立的小室連同特殊的電極來把碳離子從一小室吸引到另一小室中。Aisenberg等於在1971年6月第42卷第7期《應用物理雜誌》(Journal of Applied Physics)第2953-2958頁上寫的題為「金剛石狀碳薄膜的離子束澱積法」的一篇文章中也公開了類似的工藝。
專利權授予Aisenberg的美國專利Re 32，464公開了一種在加熱的襯底上澱積不同類型碳膜(即來自碳離子源的石墨碳)的工藝。碳離子的產生是用來自輝光放電的氬離子以射頻感應等離子體濺射法將碳靶極中的碳濺射出來。
德國公開專利2，736，514公開了一種用氣態烴源產生碳離子在玻璃襯底上澱積碳膜的工藝，襯底上的射頻場將碳離子吸引到襯底上。
Banks等人在1982年10月9日第21卷的《真空科學技術雜誌》(Journal of Vacuum Science Technology)第807-814頁上發表的題為「離子束濺射澱積出的金剛石狀碳膜」的一篇文章中公開了一種用氬離子轟擊襯底本身使碳從石墨靶濺射到襯底上而將金剛石狀的碳膜澱積到襯底上的工藝。這種工藝是針對諸如二氧化矽、銅和鉭等能耐受較高溫度的襯底的。
專利權授予Mertich等人的美國專利4，490，229公開了一種往襯底上澱積金剛石狀碳膜的工藝，該工藝是用含氬離子的離子束和象甲烷之類的烴氣體進行澱積的，同時用第二種氬離子束轟擊襯底使受約束較小的碳原子移離襯底。
專利權授予板本等人的美國專利4，725，345公開了一種用電子束使固體碳源中的碳蒸發，以此來將金剛石狀碳澱積到聲膜襯底上的工藝。這種工藝的缺點是將直流(恆定)場加到襯底上以吸引蒸發的碳，因而非導電襯底上聚集有排斥性的表面電荷。因此這種工藝不適用於象塑料之類的絕緣襯底。更重要的是，這種工藝還具有這樣的缺點，即電子束蒸發固體碳靶需要較低的環境壓強，而將碳澱積到襯底上卻需要較高的環境壓強。電子束蒸發工序必須在低約10-4乇的環境壓強下進行，因而為在較高的壓力下，電子束源會因周圍氣體放電或擊穿電離而不穩定。這隨後又使電子束的軌跡不穩定。碳蒸發工序必須在大約10-2或10-3乇較高的壓強下進行，因為壓強較低時，襯底周圍氣體環境中的原子與分子之間碰撞得不足以使所加的電場激發襯底周圍的等離子體。因此，蒸發工序和澱積工序看來不能在同一個真空室中進行。
總之，上述諸工藝看來都不適宜在塑料透鏡之類的低熔點襯底上澱積金剛石狀碳膜。有些工藝需要進行離子束轟擊或輝光放電，這可能使襯底的溫度上升到襯底的熔點以上。另一種需要用電子束蒸發固體碳源的工藝是有問題的，因為這種工藝的蒸發工序和澱積工序應在不同的壓強下進行，因而不能在同一真空室中進行。
在本發明中，將金剛石狀碳膜澱積到象塑料透鏡之類的襯底的表面上，以便使襯底表面變硬、耐刮，同時又保持襯底溫度在其熔點以下。本發明採用低於大約150℃的較低溫度，最好是低於100℃，最理想是低於大約80℃，因而可以在較低熔點的襯底上澱積金剛石狀碳。首先把電子束射向裝有襯底的真空室中的固體碳源，使碳蒸發。加到襯底周圍的電場使氫電離，便於使金剛石狀碳澱積到襯底上並藉助氫氣將非金剛石狀碳從襯底上有選擇地腐蝕掉。用電子束蒸發固體碳的好處是金剛石狀碳的澱積是在環境溫度下進行的，因而不致使襯底溫度升高到其熔點。在這種用場中用電子束蒸發固體碳有這樣的問題由於襯底和碳膜都是不導電物質，因而在襯底表面澱積碳的過程中累積起來的排斥性電荷增加，直到它妨礙離子進一步轟擊襯底為止。為解決這個問題，加上去的電場是通過將射頻電壓容性耦合到夾持著襯底的一個轉動夾具上產生的。射頻電壓產生使襯底周圍的大氣電離的射頻場。和恆定場不一樣，射頻的好處是它能避免排斥性電荷聚集在襯底周圍以免妨礙金剛石狀碳的澱積過程。
本發明採用抽成不同真空度的小室，這樣就使小室一側的固體碳源周圍的環境壓強保持適當的低壓，使電子束源能穩定工作，電子束軌跡穩定，同時使小室另一側的襯底保持較高壓強，使之適宜維持襯底周圍的電離氣體的等離子體。小室兩側為一個擋板所隔開，該擋板有一個1.5英寸的孔，經蒸發的碳即通過該孔從碳源流向襯底。在最佳實施例中，按不同真空度抽真空了的小室有一個旁通歧管連接到小室兩側。控制系統根據小室內的壓強傳感器控制旁通歧管中蝶形閥的位置，從而調節擋板兩側的壓強差。為確保襯底溫度保持在100℃以下，用水冷卻夾持襯底的旋轉夾具。經蒸發的碳達到襯底的量由一個石英晶體監視器檢測。電子束蒸發固體碳源的速率由一檢測石英晶體監視器輸出的控制器調節，以保持碳在預定量下澱積在襯底上的速率。
金剛石狀碳膜表現出天然金剛石所要求的物理性能，因此這種碳膜特別適宜保護光學元件或眼睛佩帶物上的塗覆層。這些性能包括優異的機械硬度，耐化學侵蝕，以及在較寬的光譜範圍內有低的光吸收性能。象塑料之類的低熔點襯底與金剛石狀碳膜結合起來使用就可以製成質輕耐刮的透鏡，從而滿足本技術領域長期存在的需要。
下面參照

圖1詳細說明本發明的最佳實施例;圖1是實施本發明的帶有一個抽成不同真空度的小室的設備的示意圖。
現在參看圖1。密封真空室100由擋板102分隔成兩部分100a和100b，擋板102有一個直徑約1.5英寸的孔102a，使蒸氣流可在小室100的兩側100a和100b之間流通。電子束髮生器104將電子束射向小室100的第二側100b中靠近孔102的固體碳靶106上。固體碳靶106最好是石墨做的。為明了起見，圖1中的碳靶106系畫成與電子束髮生器104分開配置，實際上它們是按一般做法作實體接觸的。在小室100的第一側100a中旋轉導電夾具110夾持得襯底115a、115b、115c等，金剛石狀碳膜即準備澱積這些襯底上。襯底115可以是例如塑料透鏡。旋轉驅動裝置120驅動著通過小室100的壁127延伸的轉軸125使其轉動，以帶動夾具110轉動。氫氣源130給小室100的內部提供氫氣。為使襯底115周圍的氫氣電離，射頻電源135將高頻電壓通過容性調諧網絡140加到驅動軸125上，從而使驅動軸125耦合到導電夾具110上。由此在小室100中產生的電場交變變化，這防止了排斥性表面電荷在金剛石狀碳形成的過程中聚集在襯底115上。同時該電場起維持襯底115周圍等離子體的作用，而且在正弦波交替的半周期期間將氫離子和電子吸向襯底。射頻源135的頻率最好在13.56兆赫左右，同時其功率密度應足以電離襯底115周圍的大氣。在容性調諧網絡140處測出的該功率密度在0.1瓦/平方釐米以上，最好在0.2瓦/平方釐米與1.0瓦/平方釐米之間。經電離的氫氣起選擇性腐蝕劑的作用，提高金剛石狀碳(雜化SP3碳)在襯底115上的形成率。氫與襯底表面上的任何非金剛石狀碳或石墨(雜化SP2碳)化合，生成甲烷氣蒸發掉。氫氣最好以50∶1的比例與小量的氬氣混合。
在襯底115上澱積碳起碼應在10-2或10-3乇的環境壓力下進行，使所加的電場在襯底附近維持經電離蒸汽的等離子體，而石墨源106碳的蒸發則應在不大於約10-4乇的環境壓強下進行，使電子束源104可以穩定工作。為達到這個目的，將小室100擋板102兩側按不同的真空度抽真空。維持小室100第一側100a中襯底115附近的環境壓強處於較高壓強的狀態(約10-2至10-3乇)。小室100第二側100b中電子束源104與固體碳靶106之間的電子束通路附近的環境壓強則保持在較低(約10-4乇)或以下的壓強。真空泵145將小室的第二側100b抽成約10-4乇的真空。蝶形閥155通過旁通歧管150控制擋板102兩側的壓力差。旁通歧管150的直徑約為3英寸。第一壓力傳感器160檢測襯底115附近小室100第一側100a的環境壓強，同時第二壓力傳感器165使使用者可以檢查小室100第二側100b中的環境壓強。真空泵145系選取得使該壓強維持在10-4乇或以下。小室壓強差反饋控制系統170根據第一壓強傳感器160的輸出通過蝶形閥伺服機構175控制蝶形閥155的位置，以便調節小室100第一側100a中襯底115附近的環境壓強。襯底夾具110附近石英晶體監視器180的諧振頻率隨著經蒸發的碳在其表面上的聚集而發生變化。碳聚在石英晶體監視器180上的速率與碳在附近襯底115上的澱積速率成正比。控制器185檢測石英晶體監視器諧振頻率的變化並調節電子束源104中的燈絲電流，由此調節碳從石墨源106蒸發的速率，以便達到碳在襯底115上所要求的澱積速率。一般說來，控制器185將碳的澱積速率維持在30埃/分與300埃/分之間的選定點上。
為確保襯底115的溫度維持在大約75℃，令水之類的冷卻劑循環通過襯底夾具110對襯底進行冷卻。為此，將襯底夾具110的空心內部劃分成輸入腔110a和輸出腔110b。冷卻劑沿軸125中心的空心內部通道往下泵送，沿軸125同心圍繞通道125a的另一空心內部通道125b回流。
下面是金剛石狀碳澱積工藝操作情況的一個實例(1)將乾淨的襯底115裝到襯底夾具110上;
(2)將小室100抽真空到大約10-6乇的真空度;
(3)令氫氣源130的氣流流入小室中;
(4)將小室第一側100a的壓強調到3×10-3乇;
(5)從射頻源提供0.2至1.0瓦/平方釐米之間的功率密度;
(6)用電子束髮生器104以30與300埃/分之間的澱積速率使碳從固體石墨源106蒸發出來。
在上述工作實例中，壓強傳感器160為MKS Baratron 390HA壓強傳感器，反饋控制系統170則由連接到壓強傳感器160輸出端的MKS 270B信號調節器和連接到該信號調節器輸出端的MKS 252A排氣閥控制器組成。蝶形閥155是個孔板可調節的MKS 253A排氣閥。所有這些MKS部件都是購自美國麻薩諸塞州安多瓦市(Andover)的MKS儀器公司。連接到石英晶體監視器180的控制器185是購自美國紐約錫拉丘茲的Inficon Leibold Heraus公司的Inficon IC-6000澱積控制器。電子束電源為加利福尼亞州錫米谷的Innotec集團公司的(帶掃描控制的)Eratron EB8-1118千瓦裝置。電子束源則為加利福尼亞州柏克利的Airco Temescal公司出口的Temescal STIH-270-2MB電子束。
上面已具體就本發明的一些最佳實施例詳細說明了本發明的內容，但應該理解的是，在不脫離本發明的範圍和精神實質的前提下是可以對上述實施例進行更改和修改的。
權利要求
1.一種塑料襯底，其特徵在於，該襯底表面的熔點低於150℃，且襯底表面覆蓋金剛石狀碳。
2.如權利要求1所述的塑料襯底，其特徵在於，所述熔點低於100℃。
3.如權利要求1所述的塑料襯底，其特徵在於，所述襯底為烯丙基二乙二醇碳酸酯(CR39)或聚碳酸酯。
4.如權利要求3所述的塑料襯底，其特徵在於，所述襯底包括含偏振材料的光學透鏡。
5.一種往塑料襯底上沉積金剛石狀碳膜而不致使襯底熔化也不致使排斥性大的電荷聚集在襯底周圍的方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟將電子束射向一小室中的固體碳源，使碳從固體碳源蒸發出來，同時保持電子束附近使其處於第一壓強下;將襯底夾持在小室中，同時在一個大於第一壓強的第二壓強下往襯底上加高頻射頻電壓。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，第一壓強低得足以使電子束穩定，第二壓強則高得足以使射頻電壓在襯底周圍激勵出電離氣體的等離子體。
7.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，該方法還包括下列步驟監控碳沉積到襯底上的速率;和根據監控步驟控制電子束的電流。
8.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，該方法還包括轉動襯底的步驟。
9.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，該方法還包括冷卻襯底以便使襯底的溫度保持在其熔點以下的步驟。
10.如權利要求9所述的方法，其特徵在於，襯底夾持在所述小室中的旋轉夾具中，且冷卻步驟包括令冷卻劑通過夾具進行散熱的步驟。
11.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，襯底的熔點低於150℃。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述熔點低於100℃。
13.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，第一壓強小於10-4乇，第二壓強在10-2至10-3乇的範圍內。
全文摘要
在充有選擇性腐蝕氣體(例如氫)的真空度不同的小室中用經電子束蒸發的固體碳源在絕緣襯底上澱積金剛石狀碳膜，以便使襯底的溫度維持在150℃以下。為了用帶正電的離子轟擊襯底同時防止排斥性表面電荷聚集，往夾持襯底的旋轉夾具上加一個射頻電場。抽成不同真空度的小室保持小室一端固體碳源周圍的環境壓強使其低得足以防止電子束能量損耗，並使碳得以蒸發，同時保持小室另一端的襯底使其處於較高的壓強，從而使射頻電場得以激活襯底周圍的離子氣體等離子體，以便澱積金剛石狀碳膜。
文檔編號C23C14/30GK1064710SQ91101620
公開日1992年9月23日 申請日期1991年3月13日 優先權日1990年1月29日
發明者麥可·J·坎博 申請人:博士倫有限公司