DE19716107A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bildung eines Kohlenstoffilmes - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung eines Kohlenstoffilmes, und insbesondere zur Bildung eines Kohlenstoffilmes auf einem Gegenstand oder Substrat durch Behandeln des Substrats mit einem Plasma, das aus einem Abscheidungsmaterial-Gas für einen Kohlenstoffilm hergestellt wird.

Verschiedene Arten von Vorrichtungen zur Durchführung eines CVD (Chemical Va­ por Deposition = chemische Dampfabscheidung)-Plasmaverfahrens sind bislang be­ kannt und ein typisches Beispiel für die herkömmliche Plasma-CVD-Vorrichtung ist in Fig. 3 gezeigt.

Die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung ist als Plasma-CVD-Vorrichtung mit parallelen Platten bekannt, in der sich eine Elektrode 2, die auch als Halter zum Halten eines Substrates, auf das abgeschieden werden soll, dient, und eine geerdete Elektrode 3, die der Elektrode 2 gegenüberliegt, in einem Vakuumbehälter 1 befinden, der eine Abscheidungskammer bildet.

Die Elektrode 2 ist eine Hochfrequenz (Radiofrequenz)-Elektrode zur Bildung eines Plasmas durch Anwendung einer elektrischen Hochfrequenzenergie auf ein Ab­ scheidungsmaterial-Gas, das in einen Raum zwischen den Elektroden 2 und 3 ein­ geführt wird. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Elektrode 2 über ei­ nen Angleichkasten 22 mit einer Hochfrequenzenergiequelle 23 verbunden. Eine Heizvorrichtung 21 ist mit der Elektrode 2 verbunden, um das auf der Elektrode 2 vorgesehene Substrat S auf die Abscheidungstemperatur zu erwärmen.

Eine Absaugvorrichtung 5 ist mit dem Vakuumbehälter 1 verbunden und eine Gas­ zufuhreinheit 4 für ein Abscheidungsmaterial-Gas ist ebenfalls mit dem Vakuumbe­ hälter 1 verbunden. Die Gaszufuhreinheit 4 schließt eine oder mehrere Gasquellen 431, 432 . . . für die Zuführung des Abscheidungsmaterial-Gases durch Massenfluß-Kontrollgeräte 411, 412 . . . und Ventile 421, 422 . . . ein. In der Absaugvorrichtung 5 ist eine Gas-Abpumpvorrichtung 52 über ein Druckregulierungsventil 51 mit dem Be­ hälter 1 verbunden.

Beim Betrieb dieser Plasma-CVD-Vorrichtung mit parallelen Platten zur Bildung ei­ nes Filmes auf dem Substrat S wird das Substrat S, das mit Hilfe einer nicht gezeig­ ten Transportvorrichtung in den Vakuumbehälter 1 transportiert wird, auf der Elektro­ de 2 befestigt und die Absaugvorrichtung 5 arbeitet, um ein vorher festgelegtes Va­ kuum im Behälter 1 einzustellen. Dann führt die Gaszufuhreinheit 4 das Abschei­ dungsmaterial-Gas zu und die Hochfrequenzelektrode 2 wird über den Angleichkasten 22 mit einer Hochfrequenzenergie aus der Spannungsquelle 23 versorgt, um aus dem so zugeführten Gas ein Plasma zu bilden. Dadurch wird ein beabsichtigter Film auf der Oberfläche des Substrates, das diesem Plasma ausgesetzt wird, abge­ schieden.

Bei dieser Arbeitsweise handelt es sich beim Abscheidungsmaterial-Gas, das aus der Gaszufuhreinheit 4 eingeführt wird, beispielsweise um ein Gas aus einer Kohlen­ stoffverbindung wie z. B. Methan (CH₄)-Gas oder Ethan (C₂H₆)-Gas oder eine Mi­ schung eines Gases aus einer derartigen Kohlenstoffverbindung und Wasserstoff (H₂)-Gas und der Druck im Behälter 1 wird auf etwa einige 100 Millitorr eingestellt, wodurch der Kohlenstoffilm auf dem Substrat S abgeschieden wird.

Bei dieser Arbeitsweise kann die Qualität des Filmes durch Änderung der Verarbei­ tungstemperatur des Substrates S gesteuert werden. Im Verfahren zur Abscheidung des Filmes auf beispielsweise einem aus einem synthetischen Harz, wie beispiels­ weise Polyimid, hergestellten Substrat wird die Abscheidungstemperatur angesichts der Wärmebeständigkeit des Substrates auf unter etwa 100°C eingestellt. In diesem Fall wird ein diamantartiger Kohlenstoff (DLC)-Film gebildet. Da DLC-Filme eine ho­ he Härte, ein hohes elektrisches Isoliervermögen, eine hohe Lichtdurchlässigkeit und eine hohe Glätte und andere geeignete Eigenschaften aufweisen, werden sie oft als Beschichtungsfilme für Lautsprecher-Diaphragmen, Schneidwerkzeuge, Ornamente, Verzierungen und Maschinen-Antriebsteile eingesetzt.

Wenn das Substrat während der Hochfrequenz (RF)-Plasma-CVD auf der Hochfre­ quenzelektrode getragen wird, wie dies bei der Abscheidung der durch die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung geschieht, übt eine Eigen-Vorspannung, die durch das Plasma an der Hochfrequenzelektrode erzeugt wird, einen starken Einfluß auf den auf dem Substrat abgeschiedenen Film aus. Wenn die Abscheidung unter Bedingungen durchgeführt wird, bei denen eine große Eigen-Vorspannung auftritt, ist die Abschei­ dungsrate im allgemeinen hoch und der abgeschiedene Film weist eine hohe Härte auf.

Auf Grund von Ausdehnung und Schrumpfung des Filmes selbst ist es jedoch wahr­ scheinlich, daß eine innere Spannung an dem harten Film auftritt, und es ist wahr­ scheinlich, daß eine teilweise Flockenbildung oder ein teilweises Abschälen zu Tage treten. Diese Tendenz nimmt mit zunehmender Filmdicke zu.

Deshalb ist versucht worden, einen Film herzustellen, in dem die Spannung im Film in Richtung der Dicke schräg abfällt, und dadurch einen harten Film mit einer guten Haftung am Substrat herzustellen. Die JP-A- 6-33239 (33239/1994) offenbart ein Beispiel für Verfahren, in denen ein Substrat auf einer Hochfrequenzelektrode befe­ stigt wird und Plasma durch Anwenden einer Hochfrequenzenergie auf ein Kohlen­ wasserstoff-Gas zwecks Bildung eines DLC-Filmes auf dem Substrat erzeugt wird. In diesem Stand der Technik wird die auf die Hochfrequenzelektrode anwendete Hoch­ frequenzenergie so variiert, daß die Eigen-Vorspannung an der Ionenhülle, die nahe der Hochfrequenzelektrode gebildet wird, mit der Zeit zunimmt oder abnimmt. Eine niedrige Eigen-Vorspannung wird erzielt, wenn eine Grenz- oder Grenzflächen­ schicht zwischen dem abzuscheidenden Film und dem Substrat gebildet wird. Alter­ nativ wird eine hohe Eigen-Vorspannung erzielt, wenn die Oberflächenschicht gebil­ det wird. Dadurch kann die innere Spannung, die an der Grenzflächenschicht des Filmes auftritt, klein sein, so daß eine gute Haftung an dem Substrat erzielt wird. Weiter kann die Oberflächenschicht eine hohe Härte aufweisen, obwohl die innen Spannung zunimmt. Folglich weist der so gebildete DLC-Film eine gute Haftung auf dem Substrat und als ganzes eine hohe Härte auf.

Im Verfahren zur Bildung eines DLC-Filmes durch das Plasma-CVD-Verfahren wie oben beschrieben wird die Steuerung der Filmhärte, der Abscheidungsrate, der inne­ ren Spannung und dergleichen im allgemeinen durch Steuerung der Größe der für die Anregung des Gasplasmas angewendeten Hochfrequenzenergie gesteuert. Es ist jedoch bekannt, daß mit zunehmender Hochfrequenzenergie mehr Teilchen, die die Filmqualität beeinträchtigen, erzeugt werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Bildung eines Kohlenstoffilmes auf einem Substrat durch Bildung eines Plasmas aus einem Abscheidungsmaterial-Gas durch Anwenden einer Hochfrequenz (Radiofrequenz)-Energie darauf und durch Behandlung des Substrats mit dem Plasma und konkreter eines Verfahrens zur Bildung eines Kohlenstoffilmes, das die Abscheidungsrate ebenso wie die Härte und die innere Spannung des abgeschiede­ nen Kohlenstoffilmes steuern kann und die Erzeugung von Teilchen unterdrücken kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vor­ richtung zur Bildung eines Kohlenstoffilmes auf einem Substrat durch Bildung eines Plasmas aus einem Abscheidungsmaterial-Gas durch Anwenden einer Hochfre­ quenzenergie auf dasselbe und durch Behandeln des Substrats mit dem Plasma und konkreter einer Vorrichtung zur Bildung eines Kohlenstoffilmes, die die Abschei­ dungsrate ebenso wie die Härte und die innere Spannung des abgeschiedenen Kohlenstoffilmes steuern kann und die Erzeugung von Teilchen unterdrücken kann.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Bildung eines Kohlenstoffilmes auf einem Substrat durch Bildung eines Plasmas aus einem Kohlenstoffilm-Abscheidungsmaterial-Gas durch Anwenden einer Hochfrequenzenergie auf dassel­ be unter Vakuum und durch Behandeln des Substrats mit dem Plasma, und konkre­ ter ein Verfahren bereit, in dem die Abscheidung durchgeführt wird, während das Vakuum variiert wird.

Die Erfindung stellt eine Kohlenstoffilm-bildende Vorrichtung bereit, in der ein Vaku­ um in einer Abscheidungskammer durch den Betrieb einer Abpumpvorrichtung er­ reicht wird, ein Plasma in dem Behälter durch Anwenden einer Hochfrequenzenergie aus einer Hochfrequenzenergie-Anwendungseinrichtung auf ein Materialgas, das dem Behälter aus einer Abscheidungsmaterial-Gas-Zufuhrvorrichtung zugeführt wird die ein Materialgas für die Bildung eines Kohlenstoffilmes zuführen kann, gebildet wird und ein Substrat dem Plasma ausgesetzt wird, um einen Kohlenstoffilm auf dem Substrat zu bilden, und stellt konkreter eine Vorrichtung bereit, in der die Absaugvor­ richtung die Stärke des Vakuums in dem Abscheidungsbehälter während der Ab­ scheidung variieren kann.

Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird wäh­ rend der Abscheidung die Stärke des Vakuums in geeigneter Weise variiert, und da­ durch kann die Abscheidungsrate gesteuert werden. Weiter können die Härte des abgeschiedenen Kohlenstoffilmes und die innere Spannung desselben in der Rich­ tung der Dicke des Filmes reguliert werden, so daß diese Faktoren in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden können, um einen Kohlenstoffilm zu bilden der eine hohe Härte, eine gute Haftung am Substrat und eine hohe Beständigkeit gegen Abschälen als ganzes aufweist. Im allgemeinen treten eine hohe innere Spannung und deshalb ein Abschälen des Filmes mit zunehmender Filmdicke mit größerer Wahrscheinlichkeit auf. Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann jedoch ein dicker Film gebildet werden, während man die hohe Härte aufrechterhält und das Abschälen trotz der großen Filmdicke in aus­ reichendem Maße unterdrückt.

Gemäß dem herkömmlichen Verfahren, in welchem die Abscheidungsrate, die Film­ härte und die Filmspannung durch Steuerung der Stärke einer Hochfrequenzenergie, die zwecks Bildung eines Plasmas angewendet wird, reguliert werden, wird eine große Menge an Teilchen, die für die Abscheidung nicht erforderlich sind, durch eine Reaktion in der Gasphase in dem Plasma erzeugt, wenn eine starke Hochfrequenz­ energie eingesetzt wird. Dies führt zu dem Nachteil, daß die erzeugten Teilchen, die nur als Staub dienen, an dem auf der Substratoberfläche abgeschiedenen Film haf­ ten oder damit vermischt werden, so daß die Qualität des Filmes beeinträchtigt wird. Gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann der obige Nachteil in ausreichendem Maße unterdrückt werden.

Die vorstehenden und weitere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegen­ den Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Zusammenschau mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlicher.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Kohlenstoffilm-Bildungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist ein fragmentarischer schematischer Querschnitt eines Beispiels für einen durch das erfindungsgemäße Verfahren gebildeten Kohlenstoffilmes;

Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau eines Beispiels für eine Plasma-CVD-Vorrichtung zur Bildung eines Kohlenstoffilmes des Standes der Technik.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Stärke des Vakuums innerhalb eines Bereiches von etwa 0,01 Torr bis etwa 1 Torr variiert werden. Wenn das Vakuum höher als 0,01 Torr wäre (oder mit anderen Worten, wenn der Abscheidungsdruck niedriger als 0,01 Torr wäre), wäre die Ab­ scheidungsrate übermäßig gering. Wenn es niedriger als 1 Torr wäre (in anderen Worten, wenn der Abscheidungsdruck höher als 1 Torr wäre), wäre die Qualität des Filmes übermäßig gering.

Im allgemeinen nimmt die Abscheidungsrate mit zunehmender Stärke des Vakuums innerhalb des obigen Bereiches ab und der abgeschiedene Kohlenstoffilm weist eine höhere Härte und eine größere Filmspannung auf. Umgekehrt nimmt die Abschei­ dungsrate mit abnehmender Stärke des Vakuums innerhalb des obigen Bereiches zu und der abgeschiedene Film weist eine geringere Härte und eine geringere Film­ spannung auf. Deshalb wird eine Grenzflächen- oder Klebeschicht aus dem Film in innigem Kontakt mit dem Substrat bei einer geringeren Stärke des Vakuums (bei einem höheren Abscheidungsdruck) gebildet und bei einer größeren Stärke des Va­ kuums (bei einem niedrigeren Abscheidungsdruck) wird eine Oberflächenschicht aus dem Film gebildet, so daß der abgeschiedene Kohlenstoffilm insgesamt eine hohe Härte und eine gute Haftung aufweisen kann. Die Stärke des Vakuums kann insge­ samt im Anfangsstadium der Filmabscheidung niedriger sein als am Ende der Ab­ scheidung. In diesem Fall kann man es zulassen, daß die Stärke des Vakuums zeit­ weilig konstant gehalten wird oder während der Abscheidung zeitweilig ansteigt oder abnimmt, vorausgesetzt, daß der abgeschiedene Film insgesamt eine hohe Härte und eine gute Haftung zeigen kann.

Im Anfangsstadium der Abscheidung kann bei einer konstanten Stärke des Vakuums die klebende oder innige Kontaktschicht mit einer guten Haftung am Substrat gebil­ det werden und darauf kann die Stärke des Vakuums in geeigneter Weise geändert werden, um die Abscheidungsrate und die Filmhärte zu steuern.

Bei der Kohlenstoffverbindung für die Kohlenstoffilm-Abscheidung kann es sich um eines oder mehrere Materialien handeln, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Methan (CH₄), Ethan (C₂H₆), Propan (C₃H₈), Butan (C₄H₁₀), Acetylen (C₂H₂), Benzol (C₆H₆), Kohlenstofftetrafluorid (CF₄) und Kohlenstoffhexafluorid (C₂F₆), die im allge­ meinen für die Kohlenstoffilm-Abscheidung eingesetzt worden sind, einschließt. Je­ des der Gase aus diesen Kohlenstoffverbindungen kann einzeln eingesetzt werden oder kann zusammen mit einer weiteren Art von Gas, wie beispielsweise Wasserstoff (H₂)-Gas oder einem Inertgas für die Kohlenstoffilm-Abscheidung verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Hochfrequenzenergie eine modulierte Hochfrequenzenergie sein. Die Modulation kann eine Pulsmodulati­ on sein, die durch das Ein- und Ausschalten einer Energie (Spannung) durchgeführt wird, oder eine andere Art von pulsförmiger Modulation. Im weiten Sinne kann die Modulation eine Amplitudenmodulation sein.

Auf Grund der Modulation der Hochfrequenzenergie, die zwecks Bildung eines Plasmas aus dem Abscheidungsmaterial-Gas angewendet werden soll, wird die Temperatur der Elektronen und Ionen im Plasma gesteuert, so daß die Erzeugung von Radikalen, die im Plasma Teilchen erzeugen, unterdrückt wird, aber die Erzeu­ gung von Radikalen, die zur Abscheidung beitragen, nicht verhindert wird. Deshalb wird im Vergleich zu dem Fall ohne Bewirkung einer Modulation eine geringere Men­ ge an Teilchen erzeugt, so daß der abgeschiedene Film keine oder weniger Mängel aufweist und deshalb eine gute Qualität besitzt. Weiter wird die Abscheidungsrate nicht merklich vermindert oder kann sogar verbessert werden.

Eine Hochfrequenz-Grundenergie vor der Modulation kann eine sinusförmige Wel­ lenform, eine rechteckige Wellenform, eine sägezahnähnliche Wellenform, eine drei­ eckige Wellenform oder dergleichen aufweisen.

Die Pulsmodulation kann an der Hochfrequenz-Grundenergie mit einer vorher fest­ gelegten Frequenz (z. B. einer Spannung mit einer kommerziellen Frequenz von 13,56 MHz) mit einer Modulationsfrequenz von etwa 1/10⁵ bis etwa 1/10 der vorher festgelegten Frequenz, und bevorzugter von etwa 1/10⁴ bis etwa 1/50, durchgeführt werden.

Der obige Bereich der Frequenz für die Pulsmodulation wird aus dem folgenden Grund eingesetzt. Wenn die Modulationsfrequenz geringer als etwa 1/10⁵ der Se­ quenz der Hochfrequenz-Grundenergie ist, wäre die Aus-Zeit der Energieanwendung übermäßig lang, so daß das während der An-Zeit erzeugte Plasma verschwinden würde und so die Abscheidungsrate übermäßig gering wäre. Wenn die Modulations­ frequenz größer als etwa 1/10 wäre, würde die Hochfrequenzenergie nicht ausrei­ chend zur Bildung des Plasmas verbraucht und würde teilweise als reflektierte Welle zurückkommen. Dies würde deshalb zusätzliche Kosten verursachen.

Das Schaltverhältnis (An-Zeit/(An-Zeit + Aus-Zeit)) der Pulsmodulation kann im Be­ reich von etwa 10% bis etwa 90% liegen. Typischerweise kann das Schaltverhältnis etwa 50% betragen, obwohl es nicht darauf beschränkt ist. Wenn es geringer als 10% ist, ist die Abscheidungsrate auf Grund einer übermäßig kurzen Reaktionszeit übermäßig gering. Wenn es größer als 90% ist, ist die Wirkung der Modulation auf Grund der langen Energieanwendungszeit gering.

Der Kohlenstoffilm, der durch das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung gebildet wird, kann typischerweise ein DLC-Film sein. Der DLC-Film weist gute Eigenschaften als Beschichtungsfilm für vielfältige Gegenstände auf und weist insbesondere ausreichende oder erforderliche Eigenschaften, die sich auf Härte Glattheit, elektrische Isolation, Lichtdurchlässigkeit usw. beziehen, auf. Weiter er­ möglicht der DLC-Film eine relativ leichte Abscheidung unter Bedingungen wie bei­ spielsweise Raumtemperatur.

Eine konkrete Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Kohlenstoffilm-bildenden Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung ähnelt der herkömmlichen Vorrichtung, die in Fig. 3 gezeigt ist, mit der Ausnahme, daß ein willkürlicher Crimp-Generator (Arbitrary Crimp Generation Device) 24 mit der Hochfrequenzenergiequelle 23 verbunden ist und die Absaugvor­ richtung 5 durch eine Absaugvorrichtung 6 ersetzt ist, die die Stärke des Vakuums während der Abscheidung willkürlich variieren kann. Die Absaugvorrichtung 6 wird von einer Absaugpumpe 62 gebildet, die über ein Drucksteuerventil 61, bei dem es sich um einen Flügelhahn handelt, ein Vakuummeßgerät 64 zum Messen des Drucks in dem Abscheidungsbehälter 1 und einer Ventilkontrollvorrichtung 63, die mit dem Ventil 61 und dem Vakuummeßgerät 64 verbunden ist, angebunden ist. Die anderen Strukturen sind die gleichen wie diejenigen in Fig. 3 und dieselben Teile und Abschnitte tragen dieselben Bezugszeichen.

Beim Betrieb der obigen Vorrichtung zur Bildung eines Kohlenstoffilmes wird das Substrat S, das über eine nicht gezeigte Objekt-Transportvorrichtung in den Vaku­ umbehälter 1 transportiert wurde, an der Elektrode 2 befestigt und die Absaugvor­ richtung 6 arbeitet, um im Behälter 1 eine beabsichtigte Stärke des Vakuums einzu­ stellen. Darauf führt die Gaszufuhreinheit 4 ein Kohlenstoffverbindungs-Gas oder eine Mischung aus einem Kohlenstoffverbindungs-Gas und Wasserstoff (H₂)-Gas zur Bildung eines vorher festgelegten Kohlenstoffilmes in den Behälter 1 ein. Weiter er­ zeugen der willkürliche Crimp-Generator 24 und die Hochfrequenzenergiequelle 23 eine Puls-modulierte Hochfrequenzenergie, die über den Angleichkasten 22 auf die Elektrode 2 angewendet wird. Dadurch wird ein Plasma aus dem in den Behälter 1 eingeführten Gas gebildet und der beabsichtigte Kohlenstoffilm 7 (Fig. 2) wird unter dem Plasma auf der Oberfläche des Substrates S abgeschieden.

Die Puls-modulierte Hochfrequenzenergie, die auf die Elektrode 2 angewendet wird wird von einer Hochfrequenz-Grundenergie mit vorher festgelegter Frequenz von z. B. 13,56 MHz durch Bewirken einer Pulsmodulation mit einer Modulationsfrequenz von 1/10⁵ bis 1/10 der obigen Frequenz erzeugt. Weiter liegt das Schaltverhältnis (An-Zeit/(An-Zeit + Aus-Zeit)) im Bereich von 10% bis 90%.

Die Stärke des Vakuums im Behälter 1 während der Abscheidung wird in geeigneter Weise im Bereich von 0,01 Torr bis 1 Torr durch die Absaugvorrichtung 6 variiert, um die beabsichtigte Abscheidungsrate, Filmhärte und Filmspannung zu erzielen. In die­ ser Ausführungsform wird im Anfangsstadium des Abscheidungsverfahrens bei einer Stärke des Vakuums, die im Bereich von 1 Torr bis 0,6 Torr bei einem konstanten Wert gehalten wird, eine klebende Schicht 71 in innigem Kontakt mit dem Substrat S gebildet. Daraufhin wird auf der klebenden Schicht 71 eine Neigungsschicht 72 ge­ bildet, währenddessen die Stärke des Vakuums im Bereich von 0,5 Torr bis 0,01 Torr gehalten wird, aber die Stärke des Vakuums mit einer Geschwindigkeit von 0,01 Torr/Minute angehoben wird und der Abscheidungsdruck mit dieser Geschwindigkeit gesenkt wird.

Gemäß dem obigen Kohlenstoffilm-Bildungsverfahren und der entsprechenden Bil­ dungsapparatur kann die Abscheidungsrate durch Änderung der Stärke des Vaku­ ums während der Abscheidung gesteuert werden. Ähnlich können die Härte und die innere Spannung des Kohlenstoffilmes, der abgeschieden werden soll, in Richtung der Dicke gesteuert werden. Deshalb kann der Kohlenstoffilm, selbst wenn er dick ist, eine hohe Härte, eine gute Haftung am Substrat S und eine hohe Beständigkeit gegen Abschälen aufweisen.

Es ist möglich, die Erzeugung von Teilchen, die für die Abscheidung nicht erforder­ lich sind und auf Grund der starken Hochfrequenzenergie erzeugt werden, zu unter­ drücken, im Gegensatz zum Stand der Technik, in dem die obigen Faktoren und Ei­ genschaften durch Änderungen der Stärke der anzulegenden Hochfrequenzenergie gesteuert werden.

Durch Pulsmodulation mit einer Frequenz im obigen Bereich der Hochfrequenz-Grundenergie mit einer vorher festgelegten Frequenz wird die Erzeugung von Staubteilchen, die für die Abscheidung nicht erforderlich sind, unterdrückt, und des­ halb ist es möglich, einen Film von hoher Qualität mit weniger Defekten zu bilden. Weiter vermindert die Pulsmodulation die Abscheidungsrate nicht merklich.

Im folgenden werden spezielle Beispiele für die Durchführung des Verfahrens zur Bildung eines Kohlenstoffilmes beschrieben, in denen DLC-Filme mit Hilfe der Appa­ ratur von Fig. 1 gebildet wurden. Weiter wird zu Vergleichszwecken ein Beispiel an­ gegeben, in dem ein DLC-Film mit Hilfe der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung gebildet wurde.

Diese Ausführungsformen bedienten sich einer Hochfrequenzelektrode 2 mit einem Durchmesser von 280 mm. Die Hochfrequenzleistung, die im Bereich von 150 Watt bis 400 Watt liegen kann, betrug in diesen Beispielen 150 Watt.

Ausführungsbeispiel 1

Substrat: Siliciumwafer mit einem Durchmesser von 4 Zoll
Hochfrequenzleitung: 13,56 MHz, 150 W
Eigen-Vorspannung der Elektrode 2: -80 V
Abscheidungsmaterial-Gas: CH₄, 50 Standard-cm³
Abscheidungstemperatur: 25°C
Abscheidungsdruck:
1,0-0,6 Torr für klebende Schicht und mit 0,01 Torr/Minute in einem Bereich von 0,5-0,01 Torr für die Neigungsschicht gesenkt
Abscheidungszeit:
10 Minuten für die klebende Schicht und 50 Minuten für die Neigungsschicht.

Ausführungsbeispiel 2

Dieses Beispiel bediente sich einer modulierten Hochfrequenzenergie, die durch Pulsmodulation der im Ausführungsbeispiel 1 eingesetzten Hochfrequenzenergie mit einer Modulationsfrequenz von 1 kHz und einem Schaltverhältnis von 50% erzeugt wurde. Ansonsten waren die Bedingungen die gleichen wie im Ausführungsbeispiel 1.

Vergleichsbeispiel

Die Bedingungen waren ähnlich denjenigen im Ausführungsbeispiel 1, mit der Aus­ nahme, daß der Abscheidungsdruck konstant war und die Eigen-Vorspannung an der Elektrode 2 während der Abscheidung durch Variation der Stärke der an die Elektrode 2 angelegten Hochfrequenzenergie variiert wurde.
Substrat: Siliciumwafer mit einem Durchmesser von 4 Zoll
Hochfrequenzleistung: 13,56 MHz, von 150 W bis 400 W
Eigen-Vorspannung der Elektrode 2: -80 V bis -200 V
Abscheidungsmaterial-Gas: CH₄, 50 Standard-cm³
Abscheidungstemperatur: 25°C
Abscheidungsdruck: 0,1 Torr
Abscheidungszeit: 60 Minuten.

Darauf wurde die Abscheidung durch die Ausführungsbeispiele 1 und 2 und auch durch das Vergleichsbeispiel beurteilt. Konkreter wurden die Abscheidungsraten und die Konzentrationen der erzeugten Teilchen gemessen und die Spannungen und Härten der Kohlenstoffilme in diesen Beispielen wurden ebenfalls bestimmt. Die Konzentrationen der erzeugten Teilchen wurden als relative Werte, bezogen auf denjenigen im Vergleichsbeispiel, ausgedrückt. Diese Werte wurden so berechnet daß die Laserstreuintensitäten in dem Plasma, die durch das Laserstreuverfahren bestimmt wurden, in die Konzentrationen von Teilchen mit einem Durchmesser von 0,1 µm oder mehr umgerechnet wurden und der umgerechnete Wert im Vergleichs­ beispiel als 1 angenommen wurde. Die Filmspannungen wurden durch Messen der Änderung in der Ablenkung des Substrats vor und nach der Abscheidung mit einer Meßvorrichtung zum Messen einer Niveaudifferenz (Differenzmeter) bestimmt. Bei der Härte wurde die Knoop-Härte gemessen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Aus den obigen Ergebnissen ist folgendes ersichtlich. Die erfindungsgemäßen Bei­ spiele 1 und 2, in denen die Abscheidungsrate, die Filmhärte und die Filmspannung durch Änderung der Stärke des Vakuums während der Abscheidung gesteuert wur­ den, konnten eine Abscheidungsrate, die im wesentlichen gleich derjenigen des Ver­ gleichsbeispiels war, in dem die Stärke der für die Bildung des Plasmas angelegten Hochfrequenzenergie zwecks Änderung der Stärke der Eigen-Vorspannung an der Hochfrequenzelektrode und dadurch Steuerung der Abscheidungsrate, Filmhärte und Filmspannung geändert wurde. Weiter wiesen die in den erfindungsgemäßen Beispielen 1 und 2 abgeschiedenen DLC-Filme eine Härte und eine Filmspannung auf, die im wesentlichen gleich derjenigen des Filmes im Vergleichsbeispiel war. Gleichzeitig war die Konzentration von in den Beispielen 1 und 2 erzeugten Teilchen geringer als diejenige im Vergleichsbeispiel. Das Beispiel 2, in dem die Hochfre­ quenzenergie pulsmoduliert wurde, konnte die Konzentration der Teilchen im Ver­ gleich zu Beispiel 1 weiter vermindern.

Claims (10)

1. Kohlenstoffilm-Bildungsverfahren zur Bildung eines Kohlenstoffilmes auf einem Substrat durch Bilden eines Plasmas aus einem Kohlenstoffilm-Abscheidungsmaterial-Gas durch Anwenden einer Hochfrequenzenergie auf das Gas unter Vakuum und Behandeln des Substrats mit dem Plasma, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abscheidung bei variierender Stärke des Vakuums durch­ geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie eine mo­ dulierte Hochfrequenzenergie ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierte Hoch­ frequenzenergie durch Modulieren einer Hochfrequenz-Grundenergie mit einer vorher festgelegten Frequenz mit einer Modulationsfrequenz im Bereich von 1/10⁵ bis 1/10 der vorher festgelegten Frequenz erzeugt wird.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheidung durchgeführt wird, während die Stärke des Vakuums im Bereich von 0,01 Torr bis 1 Torr geändert wird.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine klebende Schicht in innigem Kontakt mit dem Substrat bei einem konstanten Vakuum im Bereich von 1 Torr bis 0,6 Torr gebildet wird und darauf eine Nei­ gungsschicht auf der klebenden Schicht gebildet wird, während die Stärke des Vakuums im Bereich von 0,5 Torr bis 0,01 Torr mit einer vorher festgelegten Rate erhöht wird.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffilm ein diamantartiger Kohlenstoff (DLC)-Film ist.

7. Kohlenstoffilm-Bildungsvorrichtung, die so betrieben werden kann, daß ein Vaku­ um in einer Abscheidungskammer durch Betrieb einer Absaugvorrichtung erreicht wird, ein Plasma in dem Behälter durch Anwenden einer Hochfrequenzenergie aus einer Hochfrequenzenergie-Anwendungsvorrichtung auf ein Materialgas, das aus einer Abscheidungsmaterial-Gas-Zufuhreinheit in den Behälter eingeführt wird, die ein Materialgas für die Kohlenstoffilm-Bildung zuführen kann, und ein Substrat zwecks Bildung eines Kohlenstoffilmes auf dem Substrat dem Plasma ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß sich mit der Absaugvorrichtung die Stärke des Vakuums in dem Abscheidungsbehälter während der Abscheidung va­ riieren läßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieanwen­ dungsvorrichtung eine modulierte Hochfrequenzenergie anwenden kann.

9. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieanwendungsvorrichtung eine modulierte Hochfrequenzenergie anwenden kann, die durch Modulation einer Hochfrequenz-Grundenergie mit einer vorher festgelegten Frequenz mit einer Modulationsfrequenz im Bereich von 1/10⁵ bis 1/10 der vorher festgelegten Frequenz erzeugt wurde.

10. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffilm ein DLC-Film ist.