JP2001164356A - ダイヤモンドライクカーボン膜の形成方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】硬いダイヤモンドライクカーボン膜を形成する
方法と、その実施に適した装置を提供すること。 【解決手段】真空排気された成膜室１内の蒸発源３から
蒸発させたグラファイト粒子を、該蒸発源の上方の加熱
されたモリブデン、タングステン、タンタル、レニウム
等の耐熱金属製の反射板５により反射させて加熱された
試料ホルダー７面上に堆積させ、その堆積中にイオンビ
ームＣを該試料ホルダー面上の堆積物に照射する。蒸発
源は電子ビームにより加熱されるものとし、イオンビー
ムにはアルゴン、ヘリウム、ネオンなどの希ガスのイオ
ンのイオンビームを使用することが好ましい。成膜室内
には上記イオンビーム生成用のガス以外を導入しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気ディスクやＨ
ＤＤの保護膜など素材表面に硬いダイヤモンドライクカ
ーボン膜を形成する方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、カーボン薄膜を素材の表面に保護
膜として形成する方法として、例えば図１に示すよう
な、成膜室ａ内にガス源ｂから導入したＣＨ₄ガス等の
カーボン系のガスをマイクロ波放電により電離して試料
ホルダーｄ上に薄膜状に堆積させ、この薄膜を試料ホル
ダーｄの背後の加熱ヒーターｃで加熱してダイヤモンド
ライクカーボン膜とする方法が知られている。

【０００３】これを更に説明すると、該成膜室ａには、
仕切バルブｅ、高真空ポンプｆ、仕切バルブｇ及び低真
空ポンプｈを順次に設けた真空排気系と、セラミックウ
インドウｉ及び導波管ｊを介して設けたマイクロ波発振
器ｋとが接続される。該セラミックウインドウｉは、該
成膜室ａの側方のくびれた部分の奥部に設けられて成膜
室ａの真空圧と導波管ｊの大気圧とを仕切り、該くびれ
た部分の外周にソレノイドコイルｐが設けられる。ま
た、該くびれた部分には、仕切バルブｌ、ガス流量調整
器ｍ、仕切バルブｎ及び圧力調整器ｏを介して該ガス源
ｂが接続される。該導波管ｊの側部には、マイクロ波の
節腹を調整するためのチュナーｑが設けられる。ｒ及び
ｓは真空排気系及び成膜室の真空破壊用のベントバル
ブ、ｔは試料取出し窓である。

【０００４】真空排気系の仕切バルブｅ、ｇを開き、高
真空ポンプｆ及び低真空ポンプｈを作動させて成膜室ａ
内を真空排気し、その室内の圧力が１３３×１０^-6Pa以
下に到達した時点でマイクロ波発振器ｋからマイクロ波
を出力し、セラミックウインドウｉを介して成膜室ａ内
へ導入する。これと同時にガス導入系統の仕切バルブ
ｌ、ｎを開き、ガスボンベのガス源ｂから例えばＣＨ₄
ガスをガス流量調整器ｍの調整と圧力調整器ｏにより２
次圧力を約１気圧に設定して成膜室ａ内へ所定量供給す
る。そして、ソレノイドコイルｐに通電してこれを励磁
し、該成膜室ａ内に所定の磁場を発生させる。この磁場
とマイクロ波発振器ｋからのマイクロ波とが結合し、該
成膜室ａ内に導入されたＣＨ４ガスが電離されてメタン
のプラズマが発生する。該プラズマはソレノイドコイル
ｐによって形成された磁場配位に沿うように進行し、試
料ホルダーｄ上に電離したメタンが降り注ぎ堆積してゆ
き、ＣとＨとが混合した膜が形成される。適当な厚さに
堆積したところで加熱ヒーターｃで試料ホルダーｄを高
温に加熱すると、膜中に含有しているＨが抜けていき、
純度の高いＣが残る。このあと真空中で試料ホルダーｄ
が室温に近い温度まで冷却されたら、仕切バルブｓを開
放して成膜室ａを大気圧に戻し、試料取出し窓ｔから試
料ホルダーｄを取り出す。

【０００５】また、図２に示したように、成膜室ａ内
に、グラファイトを収容した電子ビーム蒸発源ｕを設け
ると共に、該蒸発源ｕの上方に、遮蔽板ｖと加熱された
Ｍo製の反射板ｗ及びその反射方向の前方の試料ホルダ
ーｄとを設け、ガス導入管ｘから水素ガスを導入しなが
ら該グラファイトを蒸発させて原子レベルで蒸着を行
い、ダイヤモンド膜を成長させようとする方法（Jorna
of Crystal Growth 99（1990）1188−1191）も提案
されている。この場合、該蒸発源ｕから蒸発するグラフ
ァイト粒子は、約１６００℃に加熱された反射板ｗで反
射されて約８００℃に加熱された試料ホルダーｄ上に膜
状に堆積し、その反射時に蒸気が原子レベルに分解され
るために細かい粒径でＣＶＤ特有のダストやドロプレッ
ト等が少ないカーボン膜を形成することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記図１のカーボン系
のガスをマイクロ波プラズマで分解する方法では、ＣＨ
₄等を材料として使用しているので、試料ホルダーに堆
積した膜中には１つのＣが４つのＨを伴い、多量のＨが
膜中に混入し、膜を加熱しても膜中のＨを全部抜き取る
ことが困難で、膜中に残るＨのために膜の硬さが低減さ
れてしまう不都合があった。また、前記図２の方法で
も、水素ガス雰囲気で成膜が行われるため、膜中にＨの
混入が避けられず、やはり膜の硬さが低減され、ダイヤ
モンドに近い硬さの膜は得られない。

【０００７】本発明は、硬いダイヤモンドライクカーボ
ン膜を形成する方法と、その実施に適した装置を提供す
ることを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、真空排気さ
れた成膜室内の蒸発源から蒸発させたグラファイト粒子
を、該蒸発源の上方の加熱された耐熱金属製の反射板に
より反射させて加熱された試料ホルダー面上に堆積さ
せ、その堆積中にイオンビームを該試料ホルダー面上の
堆積物に照射することにより、硬いダイヤモンドライク
カーボン膜を形成するようにした。該蒸発源に電子ビー
ム蒸発源を使用し、該イオンビームにはアルゴン、ヘリ
ウム、ネオンなどの希ガスのイオンのイオンビームが使
用される。該成膜室内には該イオンビーム生成用のガス
以外を導入しないでグラファイト粒子の堆積を行うこと
が好ましい。

【０００９】また、本発明の方法は、真空排気された成
膜室内にグラファイトを収容した蒸発源を設け、該蒸発
源の上方に加熱された耐熱金属製の反射板を傾斜させて
設けるとともに該反射板の反射方向に加熱装置を備えた
板状の試料ホルダーを設け、該試料ホルダーの板面に向
けてイオンビームを照射するイオン源を設けた装置によ
り的確に実施することができ、該試料ホルダーをその板
面方向に旋回自在に設けることが好ましい。該反射板
は、モリブデン、タングステン、タンタル、レニウムの
耐熱金属で製作される。

【００１０】

【発明の実施の形態】図３に基づき本発明の実施の形態
を説明すると、同図に於いて符号１は真空排気系２によ
り真空排気された成膜室を示し、該成膜室１内の下方
に、純度９９．９９のグラファイトＤがルツボに収容さ
れて電子ビームＥにより加熱蒸発される蒸発源３を設
け、該蒸発源３の上方の蒸発領域に背後の加熱ヒーター
４により例えば１６００℃に加熱されるＭｏなどの高耐
熱性の金属で製作した反射板５が設けられる。該反射板
５は該蒸発源３の蒸発中心軸６に対して傾斜して設けら
れ、該反射板５の反射方向前方に成膜が施されるＳｉ板
などの試料ホルダー７を設けた。該試料ホルダー７の背
後には、これに形成された膜を加熱するための加熱ヒー
ター８を設け、該蒸発源３の上方には、これより蒸発す
るグラファイト粒子Ａが該試料ホルダー７に直接向かう
ことを防止する遮蔽板９が設けられる。

【００１１】該真空排気系２は、仕切バルブ１０、高真
空ポンプ１１、仕切バルブ１２及び低真空ポンプ１３を
順次に接続して構成した。１４は真空破壊用のベントバ
ルブ、１５は試料ホルダー７の取出し用の扉である。

【００１２】こうした構成は図２に示した従来の装置も
備えるところであり、該蒸発源３から蒸発したグラファ
イト粒子Ａは加熱されたＭｏの反射板５により反射さ
れ、反射粒子Ｂが試料ホルダー７にグラファイトが薄膜
状に堆積物となって堆積し、該反射板５で反射される際
に、粒径の大きい分子状のグラファイト粒子が原子状に
分解されるので、試料ホルダー７に粒径が細かくダスト
やドロプレットの少ない原子状のグラファイト粒子の薄
膜を形成することができるが、成膜室内が水素ガス雰囲
気にあるため該薄膜中にＨ原子が混入し、該薄膜を加熱
しても硬度が大きくならない欠点があり、本発明では、
該成膜室１内を真空のクリーンな雰囲気にすると共にイ
オンビームＣを導入してこれを該試料ホルダー７に堆積
しつつある膜状の堆積物に照射することで、前記欠点を
解消して硬度の大きいダイヤモンドライクカーボン膜を
得るようにした。

【００１３】これを更に説明すると、該成膜室１にイオ
ン源１６を設けるとともに該試料ホルダー７をその成膜
面に該反射板５からの反射グラファイト粒子Ｂと該イオ
ン源１６からのイオンビームＣの両方の照射を受けるよ
うに傾斜して設け、成膜中は回転軸１７により該試料ホ
ルダー７をその面方向に回転させて均一な堆積とイオン
照射を受けるようにした。該イオン源１６は公知のもの
で、そのイオン引出口を碍子１８を介して成膜室１に取
り付け、ガス源１９から圧力調整器２０、仕切バルブ２
１、流量調整器２２及び仕切バルブ２３を介して導入さ
れた定量のガスを放電によりイオン化すると共に引出電
極によりイオン引出口から該試料ホルダー７に向けてビ
ーム状にイオンが放射される。２４はイオン源の放電用
電源、２５はイオン引出用電源である。

【００１４】その作動を説明すると、成膜室１内を真空
排気系２により例えば１×１０^-5Paに排気し、この状態
で該蒸発源３のルツボに充填した成膜材料のグラファイ
トに電子ビームＥを照射し、これを溶融気化する。気化
したグラファイト粒子は、原子状（Ｃ）あるいは分子状
（Ｃ₂、Ｃ₃）となって上方へ飛行する。このグラファイ
ト粒子は、加熱されたＭｏ製の反射板５に到達するが、
該反射板５が１６００℃の高温に加熱されているため、
これに接触した分子状のグラファイト粒子は解離して原
子状化が進み、例えば９７％が原子状のグラファイト粒
子となって試料ホルダー７上に堆積し、成膜室１内にガ
ス分子が殆ど存在しないので緻密でダストやドロプレッ
トの少ないグラファイト膜が堆積する。この堆積中に、
仕切バルブ２１、２３を開放し、ガス源１９のガスボン
ベから例えばアルゴンガスを流量調整器２２と２次圧力
を約１気圧に調整した圧力調整器２０で制御してイオン
源１６内へ導入すると共に放電用電源２４から電力を供
給することで、イオン源１６内でアルゴン等のプラズマ
を発生させ、この状態でイオン引出用電源２５から例え
ばプラス１００Ｖ程度の電位を引出電極に与え、プラズ
マ中のイオンを１００ｅＶのエネルギーをもってビーム
状に加速し、これを堆積中の原子状のグラファイト膜に
照射する。グラファイト膜は通常の堆積では結晶化しな
がら堆積するが、その堆積中にエネルギーを持ったイオ
ンを衝突させることでエネルギーを付与を受け、結晶化
したグラファイトの構造が崩れてアモルファス化すると
共に格子間距離が小さくなり、硬質で緻密な膜すなわち
非常に硬いダイヤモンドライクカーボン膜が形成され
る。

【００１５】該蒸発源３のグラファイトを、電子銃から
の電子ビームにより加熱蒸発させることで、不純物の混
入の少ないグラファイト粒子をクリーンな成膜室１内へ
蒸発させることができる。該反射板５には、Ｍoに限ら
ず他の耐熱性の大きい材料を使用することができ、イオ
ンビームＣにはアルゴン以外の不活性なイオンを使用し
てもよい。イオンのエネルギーの大きさは、堆積したグ
ラファイトをスパッタしない程度に設定される。

【００１６】

【実施例】図３に示した構成の装置に於いて、成膜室１
内を真空排気系２により１×１０ ^-5Paに排気し、Ｍｏ製
の反射板５を１６００℃に加熱すると共にＳｉ製の試料
ホルダー７は８００℃に加熱し、この状態で蒸発源３に
用意した純度９９．９９％のグラファイト粉末Ｄに電子
ビームＥを照射して溶融蒸発させた。これと同時にイオ
ン源１６に１気圧に調整したアルゴンガスを供給し、放
電用電源２４から２００Ｗの電力を投入してイオン源１
６内にアルゴンプラズマを発生させ、グラファイト粒子
が堆積中の試料ホルダー７の成膜面に引出電極に１００
Ｖを与えて１００ｅＶのアルゴンイオンビームＣを照射
した。

【００１７】該蒸発源３から蒸発したグラファイト粒子
は、反射板５で反射されて原子状に解離されて試料ホル
ダー７に堆積するが、その堆積中に該イオンビームＣが
照射されているため、該グラファイト膜がアモルファス
化し、その堆積厚さが１００ｎｍになったところで蒸発
及びイオンビームＣの照射を止めた。該試料ホルダー７
に堆積した膜の硬度を測定したところ、ビッカース硬度
でＨＶ＝３０００であった。この膜は、従来の方法で得
られる膜よりも大幅に硬く、ダイヤモンドに近いダイヤ
モンドライクカーボン膜であった。

【００１８】比較のために図２の方法で製作した膜の硬
度は、ビッカース硬度でＨＶ＝２０００、図１の方法で
製作した膜は、ＨＶ＝２３００であった。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明によるときは、真空
排気された状態の成膜室内で電子ビームで加熱されて蒸
発するグラファイト粒子を加熱された反射板で反射させ
て試料ホルダーに堆積する際に、イオンビームを照射す
るようにしたので、堆積した不純物の混入の少ない膜を
アモルファス化し且つ格子間距離を小さくして硬質で緻
密なダイヤモンドライクカーボン膜を形成できる効果が
あり、請求項７乃至９の構成の装置により本発明を適切
に実施できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＣＶＤ法によるカーボン膜の形成方法の
説明図

【図２】従来の他のＣＶＤ法によるカーボン膜の形成方
法の説明図

【図３】本発明の実施に使用した装置の截断側面図

【符号の説明】

１ 成膜室、２ 真空排気系、３ 電子ビーム蒸発源、
４・８ 加熱ヒーター、５ 反射板、７ 試料ホルダ
ー、１６ イオン源、Ｃ イオンビーム、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木内 正人 大阪府池田市緑丘１丁目８番31号 工業技 術院 大阪工業技術研究所内 Ｆターム(参考） 4K029 BA34 BC00 BD11 CA09 CA15 DA08 5D112 AA07 BC05 FA02 FB13 FB21 FB27

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空排気された成膜室内の蒸発源から蒸発
   させたグラファイト粒子を、該蒸発源の上方の加熱され
   た耐熱金属製の反射板により反射させて加熱された試料
   ホルダー面上に堆積させ、その堆積中にイオンビームを
   該試料ホルダー面上の堆積物に照射することを特徴とす
   るダイヤモンドライクカーボン膜の形成方法。
2. 【請求項２】上記の耐熱金属が、モリブデン、タングス
   テン、タンタル、レニウムであることを特徴とする請求
   項１に記載のダイヤモンドライクカーボン膜の形成方
   法。
3. 【請求項３】上記蒸発源に電子ビーム蒸発源を使用し、
   上記イオンビームにはアルゴン、ヘリウム、ネオンなど
   の希ガスのイオンのイオンビームを使用することを特徴
   とする請求項１又は２に記載のダイヤモンドライクカー
   ボン膜の形成方法。
4. 【請求項４】上記成膜室内には上記イオンビーム生成用
   のガス以外を導入しないことを特徴とする請求項１乃至
   ３のいずれか１項に記載のダイヤモンドライクカーボン
   膜の形成方法。
5. 【請求項５】真空排気された成膜室内の蒸発源から蒸発
   させたグラファイト粒子を、該蒸発源の上方の加熱され
   た耐熱金属製の反射板により反射させて加熱された試料
   ホルダー面上に堆積させ、その堆積中にイオンビームを
   該試料ホルダー面上の堆積物に照射して作製したことを
   特徴とするダイヤモンドライクカーボン膜。
6. 【請求項６】上記の耐熱金属が、モリブデン、タングス
   テン、タンタル、レニウムであることを特徴とする請求
   項５に記載のダイヤモンドライクカーボン膜。
7. 【請求項７】真空排気された成膜室内にグラファイトを
   収容した蒸発源を設け、該蒸発源の上方に加熱された耐
   熱金属製の反射板を傾斜させて設けるとともに該反射板
   の反射方向に加熱装置を備えた板状の試料ホルダーを設
   け、該試料ホルダーの板面に向けてイオンビームを照射
   するイオン源を設けたことを特徴とするダイヤモンドラ
   イクカーボン膜の形成装置。
8. 【請求項８】上記の耐熱金属が、モリブデン、タングス
   テン、タンタル、レニウムであることを特徴とする請求
   項７に記載のダイヤモンドライクカーボン膜の形成装
   置。
9. 【請求項９】上記試料ホルダーをその板面方向に旋回自
   在に設けたことを特徴とする請求項７又は８に記載のダ
   イヤモンドライクカーボン膜の形成装置。