TW201522699A - 使用電漿輔助化學氣相沉積於玻璃基材上沉積高耐刮性鑽石膜之方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種使用微波場及烴氣環境用於尤其塗佈或產生具有一層碳或鑽石膜之基材的系統及製程。該碳或鑽石膜產生一較強及較耐刮之基材，其較不易折斷或破裂。此外，該塗佈可提供優異之熱傳性質，使得最終裝置可用在被動冷卻應用中，例如用於行動電話顯示器。

Description

使用電漿輔助化學氣相沉積於玻璃基材上沉積高耐刮性鑽石膜之方法 【相關申請案之交叉參考】

本申請案主張2013年12月11日申請之美國臨時申請案第61/914,582號之權益及優先權，其全文以引用方式全部併入本文中。

1.0發明所屬之技術領域

本案係關於一種在一氣體環境中使用微波來源塗佈一透明材料(例如：一基材)以產生展現優異熱性質之符合成本效益之硬質、耐刮性塗層之系統、方法及裝置。

2.0先前技術

硬質、耐刮性視窗對於行動電話及其它在使用時處於嚴峻狀態下之裝置係必要的。儘管全鑽石視窗為針對此問題之理想解決方式，然其使用成本高昂。因此，在較低成本下提供具有類似硬度及耐刮性之鑽石類型玻璃視窗之技術在許多應用中是極有用的，例如：消費性電子產品，在某些情況下，包括例如用於行動裝置之觸控螢幕，該視窗可能需要被證實具有高度熱導性，並藉此允許該裝置之被動冷卻。

Y.Mokuno等人在其“Diamond and Related Materials 14”(2005)1743-1746文中描述，藉由微波電漿CVD以重覆高速同質磊晶生長，據此合成單晶鑽石。

S.T.Lee等人在其“Materials Science and Engineering 25”(1999)123-154文中討論各種鑽石膜之低壓生長方法。

根據本案之一非限制性實例，提供一種經由氣體流及微波來源塗佈一材料(例如：一基材)，以產生符合成本效益、硬質、耐刮性之鑽石基底之塗層的系統、方法及裝置。此塗層亦具有優異熱性質，使得其可用在被動冷卻電子裝置中。

在一態樣中，將一基材在氫氣及一或多個烴氣之一室中曝露於微波放射，以在該基材上形成碳膜。該室可排空至一分壓。並且該碳可為鑽石的同素異形體。

在一態樣中，產生具有一施加碳膜之基材。該基材可係透明的。該施加之碳膜可為鑽石膜。該施加之碳膜可包含一鑽石膜，該鑽石膜產生具有透明基材的一基質，且該鑽石膜可在該基材表面一起形成。該基質(在該基材之一或多個表面上包含該透明基材及碳膜)可係實質上透明的。該基材可包含以下各項中之一者：玻璃、硼矽酸玻璃、離子交換玻璃、矽酸鋁玻璃、氧化釔穩定相氧化鋯、石英、透明氧化鋁、及透明塑膠。

在一態樣中，提供一種用於在基材上形成膜之系統，其包括：提供至少以碳為基底之氣體的一氣體來源、固持目標基材的一固持裝置、經配置以包含圍繞在該目標基材之氣體的一環境、及經配置以向目標 基材投射微波場於目標基材上產生一碳膜使產生較強且較耐刮之基材的一微波來源。該氣體可為或可包括以氫為基底之氣體。該氣體可為或可包括烴氣。該氣體可為甲烷。該氣體可包括惰性氣體。該氣體可包括氧氣及氮氣中之至少一者。該碳膜可為鑽石膜。該目標基材可包含以下各項中之一者：玻璃、硼矽酸玻璃、矽酸鋁玻璃、氧化釔穩定相氧化鋯、石英、透明氧化鋁、及透明塑膠。該目標基材可包含離子交換玻璃。該環境可包含經配置以產生一氣體分壓之一室，及該微波來源經配置以激發該氣體在該室內產生電漿以在該目標基材上沈積碳膜。所產生碳膜之厚度可為約1nm至約10μm；但可更大或更小。該具碳膜之目標基材可包含一視窗用於以下各項中之至少一者：行動電話、平板電腦、錶玻璃、膝上型電腦、及消費性裝置。該系統可進一步包含一電腦控制器，其經配置以控制以下各項之至少一者：微波來源之定標、固持裝置相對於微波來源之定位、氣體之流動、固持裝置之溫度、微波場之開始與停止時間、微波場之強度、基材之定向、環境之壓力、及碳膜之厚度。

在一態樣中，提供一種在基材上產生碳膜之製程，其包括以 下步驟：提供包括烴氣之氣體、及將微波場導向基材，其中該基材與烴氣接觸，且該微波場產生電漿以在該基材上製造一層碳膜，藉以製造一較強且較耐刮之基材。該膜可為鑽石膜。提供步驟可提供一氣體環境，其中該基材係在該氣體環境中。該製程可進一步包括提供一固持裝置以固持該基材之步驟，其中該固持裝置經溫度控制並可調整定向。該基材可包含以下各項中之一者：玻璃、硼矽酸玻璃、矽酸鋁玻璃、氧化釔穩定相氧化鋯、石英、透明氧化鋁、及透明塑膠。該基材可包含離子交換玻璃。該製程可 進一步包含提供一電腦控制器，其經配置以控制以下各項之至少一者：微波來源之定標、相對微波來源之固持裝置的定位、氣體之流動、固持裝置之溫度、微波場之開始與停止時間、微波場之強度、基材之定向、環境之壓力、及碳膜之厚度。導向步驟可產生具有約1nm至約10μm之厚度之碳膜。導向步驟可產生一視窗用於以下各項中至少一者：行動電話、平板電腦、錶玻璃、膝上型電腦、及消費性裝置。

在實施方式、圖式及附件的考量下，本案之其它特徵、優點、 及具體實施例可被闡明或變得顯著。此外，應了解本案之前述發明內容及以下實施方式、圖式及附件係示例性，且意欲提供進一步解釋，而非限制如所主張之揭示案之範疇。

100‧‧‧裝置

105‧‧‧抽空室

110‧‧‧製程氣體

112‧‧‧來源

115‧‧‧目標基材/材料

116‧‧‧碳膜

117‧‧‧電漿

118‧‧‧排氣口

120‧‧‧微波來源

125‧‧‧台

126‧‧‧固定裝置

136‧‧‧分壓

200‧‧‧裝置

205‧‧‧電腦控制器

300‧‧‧步驟：開始

302‧‧‧步驟：排空環境

304‧‧‧步驟：提供固持裝置

305‧‧‧步驟：提供氣體

310‧‧‧步驟：提供微波來源

315‧‧‧步驟：提供基材

320‧‧‧步驟：將微波場導向基 材

325‧‧‧步驟：產生電漿

330‧‧‧步驟：在基材上產生/沉積碳膜

335‧‧‧步驟：控制固持裝置

340‧‧‧步驟：控制氣體

345‧‧‧步驟：控制微波來源/微波場

350‧‧‧步驟：結束

本案隨附圖式(其經包括以提供本案之進一步了解)併入且構成本說明書之一部份，本案之具體實施例的說明以及實施方式共同用於解釋本案之原理。本說明書並未企圖過於詳述本發明案之結構細節及可實踐其之各種方式，使之超出對本發明案之基礎了解的必要性。本案本案。在該等圖式中：第一圖顯示一裝置之實例，其裝置根據本案之原理用於利用一氣體環境及一微波來源以塗佈一材料(例如：一基材)；第二圖顯示一裝置之實例，其裝置根據本案之原理用於利用一氣體環境及一微波來源以塗佈一材料(例如：一基材)；第三圖係一實例製程的流程圖，根據本案之原理進行該製程之步驟。

以下之實施方式進一步描述本案。

在以下描述中，將伴隨圖式及實行細節以描述及/或闡明非限制性具體實施例及實例，使本案其各種特徵及有利細節能被充分解釋。應注意在該圖式中說明之特徵不必按比例繪製，且即使未在本文中明確說明，一具體實施例之特徵可與該領域技術者所認知之其它具體實施例一起應用。可忽略為人熟知之組件及處理技術之描述，以免不必要地模糊本案之具體實施例。本文所用之實例僅欲促進對於本案可實踐之方式的了解本案，且進一步使該領域技術者實踐本案之具體實施例。因此，本文之實例及具體實施例不應視作限制本案之範疇。此外，應注意在整個圖式之數個圖中，類似的參考數字表示相似之部件。

本案中所用術語「包括」、「包含」及其變體意指「包括但不限於」，除非另外明確指出。

本案中所用術語「一」、「一個」及「該」意指「一或多個」，除非另外明確指出。術語「約」意指在+/- 10%內，除非內容有另外指出。

彼此連通之裝置不需彼此連續連通，除非另外明確指出。此外，彼此連通之裝置可直接連通或經由一或多個中介物間接連通。

儘管製程步驟、方法步驟、演算或諸如此類可依一序列順序描述，然而此等製程、方法及演算可經配置以替代順序運作。換言之，任何被描述之步驟的序列或順序，並不表示該等步驟需要以該順序進行。本文描述之該等製程、方法或演算之步驟可依任何實際順序進行。此外，可同時進行某些步驟。

當本文描述單一裝置或物品時，應立刻了解可使用超過一種 裝置或物品代替單一裝置或物品。同樣地，其中本文描述超過一個裝置或物品時，應立即了解可使用單一裝置或物品代替超過一個裝置或物品。一裝置之功能或特徵可替代地以一或多個其它裝置(其未明確描述具有此等功能或特徵)體現。

近來，發明人未發現任何與用於行動電子裝置(或其它裝置) 以保護該等裝置之鑽石視窗或鑽石膜相關之已知產品或專利。「Gorilla®玻璃」為康寧(Corning®)公司生產之一種離子交換玻璃的一硬化玻璃，其係用在許多行動裝置以減少表面刮傷及螢幕破裂之可能性。然而，Gorilla®玻璃的性質不及於鑽石。此外，藍寶石產品亦不及於鑽石之產品。

第一圖顯示一裝置之實例，該裝置根據本案之原理以經沈積 之碳膜塗佈一材料(例如：一基材)。如所見，該裝置100可包括抽空室105，其經配置以產生製程氣體110之一分壓，該製程氣體110包括分子或氫原子，以及一或多個烴，其可包括，但不限於甲烷。此外，該環境氣體製程亦可包含氮氣、氧氣、惰性氣體(諸如氬)及其它製程氣體。用於支撐或固持目標基材115之台125本身可溫度控制，即冷卻或加熱。氣體110可自來源112流入並離開排氣口118。

第一圖之裝置可用來在一材料(例如：基材)上塗佈一層碳 膜116以提供一透明、耐刮性表面。在一些應用中，所得產品可能並非透明的，而是半透明或甚至不透明的。所得之視窗可應用在許多消費性產品中，包括例如行動電話、平板電腦、錶玻璃及膝上型電腦中之觸控螢幕，其中維持無刮痕表面是最重要的。此外，所得產品可用在工業型應用中，其中 可能需要光學透明耐刮性視窗。該塗層在諸如消費性電子裝置及用於高能雷射之光學件之應用中可提供額外之熱益處，其中熱管理問題會產生對於經由光學介面被動冷卻之需求。

本發明提供之益處包括，但不限於優異之機械性能，諸如： 改善之耐刮性，由於鑽石基底之膜之高導熱性而改善之熱性質，相較於目前所用之材料(如：玻璃、塑膠等等)具有較大之耐破裂性。此外，藉由使用塗佈於玻璃上之鑽石膜而非例如整個鑽石視窗，可實質上減少成本，使得產品可用在普遍的消費性用途上。

根據本案之一態樣，一任意基材(例如：玻璃、石英或諸如 此類)可放置在抽空室105內之一台125上(其可為一種固持裝置)。可冷卻或可不冷卻該台125。可將該基材或目標材料115(例如：玻璃、硼矽酸玻璃、離子交換玻璃、矽酸鋁玻璃、氧化釔穩定相氧化鋯(YSZ)、透明塑膠及諸如此類)放置在該台125上。該台125可經配置或可調整以在3-D空間之任何一維或多維中移動。在達到適當分壓136後，可藉由微波來源120激發氣體以將電漿117引入裝置100(或200)中。氣體組成誠如碳膜116可沈積在目標材料115上。儘管可能會沈積各種碳之同素異形體，然而可以此一方式維持該氣體組成，較佳地蝕刻非鑽石同素異形體，並保留主要為碳之鑽石同素異形體之最終沈積。在基材115上產生任意厚度之膜116，且可與特定應用相關，例如可依特定應用之需要由數奈米至數微米自定規格。例如，可產生選自約1nm至約10μm之範圍中之一厚度。然而，如所需，可達成較大(或甚至較小)之厚度。該厚度可為選自約2nm至約100nm之範圍中之任何厚度。此外，該厚度可為選自約100nm至約5mm之範圍中之任何厚度。 此外，該厚度可大於10μm。

可變化微波來源120之定向、相對位置、動力及頻率。此外， 碳膜沈積定標可針對目標材料115之一或多個表面。

第二圖顯示一裝置之實例，該裝置根據本案之原理用於以經 沈積之碳膜塗佈一材料(例如：一基材)。第二圖之實例類似於第一圖之實例，但顯示微波來源120相對於基材115具不同定向。在此實例中，該微波來源120經定向或定位在基材115之下。在其它實施中，微波來源120與基材115之相對定向可係任何實際之配置。微波來源120與基材115可彼此靠近。

基材115(或固持裝置)可包含多個表面以使在其上產生碳膜/鑽石。一固定裝置126可用於相對微波來源120在不同位置固持基材115。該固定裝置115在二或多個不同軸係可被調整的。如必要，可冷卻或加熱固定裝置126以改善其上之碳膜的沈積。此外，電腦控制器205可控制該等系統100及200之各種組件的操作。例如，控制器205可控制以下各項之至少一種：氣體流、台125及固定裝置126之溫度、微波場之開始及停止時間、微波場強度、微波場對基材之定標(該微波場可選擇在基材之一部份上定標)、基材115之定向、室105內之壓力(包括可能排空室105)、基材上碳膜之厚度、製程持續時間、及諸如此類。

第三圖係一實例製程的流程圖，根據本案之原理，從步驟300開始進行該製程之步驟，。此製程之步驟可依與所示不同之順序替代。在步驟302中，可排空諸如室105之環境。在步驟304中，可例如提供一固持裝置。在步驟305中，可提供製程氣體。此可提供在一環境中，例如第一圖或第二圖中所示。該製程氣體可包括以碳為基底之氣體、以烴為基底之氣體、 甲烷、惰性氣體、氧氣及氮氣中之一或多者。此步驟可包括在例如室105之環境中產生製程氣體之分壓。可在提供該製程氣體之前排空該環境。如必要，該製程氣體可流入諸如室105之環境中，以提供連續碳來源符合特定之製程重覆所需。

在步驟310中，提供微波來源。此可包括在例如室105之氣體 室內或附近提供微波產生器。在步驟315中，可提供一基材。可藉由該固持裝置(例如：固定裝置115或台125)固持該基材。該基材可包含例如以下各項中之一者：玻璃、硼矽酸玻璃、離子交換玻璃、矽酸鋁玻璃、氧化釔穩定相氧化鋯、石英、透明氧化鋁、及一透明塑膠。

在步驟320中，諸如微波來源120之微波來源可提供導向於該基材及/或製程氣體之一微波場。在步驟325中，可藉由該微波場產生電漿。在步驟330中，基材上可沈積一碳膜。該經沈積之碳膜可包含一鑽石膜。

在步驟335中，可例如藉由控制器205控制固持裝置。例如固定裝置115或台125之固持裝置可經重新定位以相對於微波來源，重定向該基材。此可在一或多個三維下重定向該基材。亦可控制該固持裝置以提高或降低其溫度，並因此亦控制基材之溫度。

在步驟340中，可控制製程氣體，例如：開始該流、停止該流、增加或減少製程氣體流速、及/或改變製程氣體之氣體組成之混合。此可藉由例如控制器205之控制器實施。

在步驟345中，可控制諸如微波來源120之微波來源。該控制可包括開始及停止微波場、微波場之強度、微波場之定標、微波場相對於基材之重新定位。對該微波場並及於該電漿之控制，可控制在該基材上沈 積之碳膜的厚度及/或沈積速度。該製程可在步驟350結束。

用於沈積該碳膜之製程持續時間(例如：第三圖之製程)可數分鐘至數小時。

產生之所得基質可包含具有施加之碳膜的基材。該基質實質上可係透明的。該施加之碳膜可為鑽石膜。該施加之碳膜可包含一鑽石膜，其與基材表面一起形成或在該處形成。該基質實質上可係透明的。

儘管就示例性具體實施例而言，已描述本案，該領域技術者將認知本案可在隨附申請專利範圍之精神與範疇下修正實施。該等實例僅係說明性且並不意指詳盡列出本案所有可能之設計、具體實施例、應用或修正。

100‧‧‧裝置

105‧‧‧抽空室

110‧‧‧製程氣體

112‧‧‧來源

115‧‧‧目標基材/材料

116‧‧‧碳膜

117‧‧‧電漿

118‧‧‧排氣口

120‧‧‧微波來源

125‧‧‧台

136‧‧‧分壓

205‧‧‧電腦控制器

Claims (24)

1. 一種在一基材上形成一膜之系統，該系統包含：一氣體來源，其提供至少一以碳為基底之氣體；一固持裝置，以固持一目標基材；一環境，其經配置以在該目標基材周圍包含該氣體；及一微波來源，其經配置以向目標基材投射微波場以在該目標基材上產生一碳膜以用於產生具加強熱傳性質之較強且較耐刮之基材。
2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該氣體包含一以氫為基底之氣體。
3. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該氣體包含一烴氣。
4. 如申請專利範圍第3項之系統，其中該氣體包含甲烷。
5. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該氣體進一步包含一惰性氣體。
6. 如申請專利範圍第5項之系統，其中該氣體進一步包含氧氣及氮氣中之至少一者。
7. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該碳膜包含一鑽石膜。
8. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該目標基材包含以下各項中之一者：玻璃、硼矽酸玻璃、矽酸鋁玻璃、氧化釔穩定相氧化鋯、石英、透明氧化鋁、及一透明塑膠。
9. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該目標基材包含離子交換玻璃。
10. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該固持裝置經配置以在一維或多維下移動。
11. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該固持裝置本身經配置以冷卻或加熱。
12. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該環境包含經配置以產生一氣體分壓之一室，且該微波來源經配置以激發該氣體在該室內產生電漿以在該目標基材上沈積該碳膜。
13. 如申請專利範圍第1項之系統，其進一步包含一電腦控制器經配置以控制以下各項中之至少一者：該微波來源之定標、該固持裝置相對於該微波來源之定位、該氣體之流動、該固持裝置之溫度、該微波場之開始與停止時間、該微波場之強度、該基材之定向、該環境之壓力、及該碳膜之一厚度。
14. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該產生之碳膜的厚度係約1nm至約10μm。
15. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該具碳膜之目標基材包含一視窗可用在以下各項中之至少一者：一行動電話、一平板電腦、一錶玻璃、一膝上型電腦、及一消費性裝置。
16. 一種在一基材上產生一碳膜之製程，該製程包含以下步驟：提供包括一烴氣之一氣體；及將一微波場導向一基材，其中該基材與該烴氣接觸，該微波場產生電漿以在該基材上製造一層碳膜，藉以製造一較強且較耐刮之基材。
17. 如申請專利範圍第16項之製程，其中該碳膜係一鑽石膜。
18. 如申請專利範圍第16項之製程，其中該提供步驟係提供一該氣體之環境，其中該基材係在該氣體環境中。
19. 如申請專利範圍第16項之製程，其進一步包含提供一固持裝置以固持該基材之步驟，其中該固持裝置可溫度控制並可調整定向。
20. 如申請專利範圍第16項之製程，其中該基材包含以下各項中之一者：玻璃、硼矽酸玻璃、矽酸鋁玻璃、氧化釔穩定相氧化鋯、石英、透明氧化鋁、及一透明塑膠。
21. 如申請專利範圍第16項之製程，其中該基材包含離子交換玻璃。
22. 如申請專利範圍第16項之製程，其進一步包含提供一電腦控制器經配置以控制以下各項中之至少一者：該微波來源之定標、該固持裝置相對於該微波來源之定位、該氣體之流動、該固持裝置之溫度、該微波場之開始與停止時間、該微波場之強度、該基材之定向、該環境之壓力、及該碳膜之一厚度。
23. 如申請專利範圍第16項之製程，其中該導向步驟產生具有約1nm至約10μm之一厚度的一碳膜。
24. 如申請專利範圍第16項之製程，其中該導向步驟產生一視窗可用在以下各項中之至少一者：一行動電話、一平板電腦、一錶玻璃、一膝上型電腦、及一消費性裝置。