JP2003247066A - スパッタ法を用いたイオン注入法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スパッタリング効果を利用して簡便な方法で
固体イオンを基材の表面に注入して基材表面の表層改質
を図り、また所望の第三元素を含んだ炭素膜による基材
表面のコーティングを容易にする。 【解決手段】 真空容器４にプラズマ発生用原料ガス供
給装置８と真空排気装置９とを設け、真空容器４内に、
基材２を保持する基材ホルダー５と、基材２表面に対し
てスパッタターゲット３の表面を非接触状態で放電を生
じない間隔にあけてスパッタターゲット３を保持すると
共に高周波又は直流電圧の給電によりプラズマ発生源と
なるスパッタ装置６を配置し、基材２にマイナス電位の
パルス電圧を印加する高電圧パルス電源７を設け、スパ
ッタ装置６に高周波又は直流電源を接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、スパッタリング
効果を利用して簡便な方法で固体イオンを基材の表面に
注入させて基材表面の表層改質を図り、また所望の第三
元素を含んだ炭素膜で基材表面をコーティングするスパ
ッタ法を用いたイオン注入法及びその装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、イオン注入法は、数１０ｋｅＶ〜
ＭｅＶに加速した粒子（イオン）を固体の基材表面に照
射し、固体の基材表面に打ち込む技術である。大きな運
動エネルギーを持ったイオンが固体の基材表面に衝突し
侵入する際に、様々な物理的現象及び化学的現象が起こ
り、これを利用して固体の基材表面の表層改質を図るこ
とができるのが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固体イ
オン例えば金属イオンを固体の基材表面に注入する時
は、先ず金属を気化しプラズマ状態にした後、加速器に
より高い運動エネルギーを与える必要があるため、装置
が大がかりになる欠点があった。また、ダイヤモンドラ
イクカーボン膜（ＤＬＣ膜）に代表される炭素膜は、高
硬度、低摩擦係数、摺動性に優れていることから、機械
部品、金型、治工具など機械金属分野で用いられつつあ
る。しかしながら、さらに摺動性を高めること、電気伝
導性を与えること、あるいは擾水性など化学的特性を付
与することが求められている。一方、プラズマに曝した
被処理材の基材に負の高電圧パルスを印加することを基
本原理としたプラズマソースイオン注入法は、立体物全
面へのイオン注入法および薄膜作製法として最近注目さ
れている方法である。しかしながら、プラズマソースイ
オン注入法を用いた簡便な金属イオン注入法および炭素
膜への金属あるいは半金属元素添加法は報告されていな
い。

【０００４】本願発明は、上記のような課題に鑑み、そ
の課題を解決すべく創案されたものであって、その目的
とするところは、スパッタリング効果を利用して簡便な
方法で固体イオンを基材の表面に注入して基材表面の表
層改質を図り、また所望の第三元素を含んだ炭素膜によ
る基材表面のコーティングを容易にするスパッタ法を用
いたイオン注入法及びその装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、減圧状態のプラズマ発生用原
料ガス中に、基材の表面とスパッタターゲットの表面と
を非接触状態で放電を生じない間隔にあけて対面状態に
配置し、スパッタターゲットの表面に対して傾斜角度を
有してプラズマ雰囲気のイオンを衝突させ、スパッタリ
ング効果を利用してスパッタターゲットの表面から固体
イオンを弾き飛ばして放出させ、放出した固体イオンを
対面に位置する基材の表面に注入させる手段よりなるも
のである。

【０００６】また、請求項２の発明は、炭素有機化合物
ガスを含む減圧状態のプラズマ発生用原料ガス中に、基
材の表面とスパッタターゲットの表面とを非接触状態で
放電を生じない間隔にあけて対面状態に配置し、スパッ
タターゲットの表面に対して傾斜角度を有してプラズマ
雰囲気のイオンを衝突させ、スパッタリング効果を利用
してスパッタターゲットの表面から固体イオンを弾き飛
ばして放出させ、放出した固体イオンを対面に位置する
基材の表面をコーティングする炭素膜中に注入させる手
段よりなるものである。

【０００７】また、請求項３の発明は、真空容器にプラ
ズマ発生用原料ガス供給装置と真空排気装置とを設け、
真空容器内に、基材を保持する基材ホルダーと、基材表
面に対してスパッタターゲットの表面を非接触状態で放
電を生じない間隔にあけてスパッタターゲットを保持す
ると共に高周波又は直流電圧の給電によりプラズマ発生
源となるスパッタ装置を配置し、基材にマイナス電位の
パルス電圧を印加する高電圧パルス電源を設け、スパッ
タ装置に高周波又は直流電源を接続した手段よりなるも
のである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面に記載の発明の実施の
形態に基づいて、本願発明をより具体的に説明する。こ
こで、図１はスパッタ法を用いたイオン注入装置の構成
図、図２はスパッタ装置の斜視図、図３（Ａ）は概念
図、図３（Ｂ）は基材表面にコーティングした炭素膜の
部分拡大断面図である。

【０００９】図において、スパッタ法を用いたイオン注
入装置１は、スパッタターゲット３の表面に対して傾斜
角度を有してプラズマ雰囲気のイオンを衝突させ、スパ
ッタリング効果を利用してスパッタターゲット３の表面
から固体イオン３ａを弾き飛ばして放出させ、放出した
固体イオン３ａを基材２の表面に注入させる装置であ
る。基材２の材質には導電性の金属、セラミックなどの
非金属も使用可能である。また、スパッタターゲット３
の材質には金属、セラミックなどの非金属も使用可能で
ある。

【００１０】このスパッタ法を用いたイオン注入装置１
は、真空状態となる真空容器４、真空容器４の内部に配
置され基材２を保持する基材ホルダー５、真空容器４の
内部に配置されスパッタターゲット３を保持しプラズマ
発生源となるスパッタ装置６、真空容器４内部の基材２
にマイナス電位のパルス電圧を印加する高電圧パルス電
源７、真空容器４の内部にプラズマ発生用原料ガスを供
給するプラズマ発生用原料ガス供給装置８、真空容器４
の空気を排出して真空状態にする真空排気装置９などか
ら構成されている。

【００１１】真空容器４は、内部の空気を排出して真空
状態にして、内部でプラズマａが発生する環境を造り出
す場所であり、真空容器４の内部には、スパッタリング
効果によってスパッタターゲット３の表面の固体イオン
３ａが弾き飛ばされて基材２の表面に注入され易いよう
に、基材２の表面とスパッタターゲット３の表面とが非
接触状態で放電を生じない間隔で平行に配置されてい
る。

【００１２】基材ホルダー５は、基材２を保持するもの
で、真空容器４の内部に配置されており、スパッタター
ゲット３を保持するスパッタ装置６と相対峙するように
配置されている。基材ホルダー５は真空容器４の内部壁
面に例えばアルミナ絶縁板５ａを介して支持部材５ｂに
よって支持されている。基材ホルダー５は基材２の表面
がスパッタターゲット３の表面に平行になるように保持
して、スパッタターゲット３の表面に衝突するプラズマ
雰囲気のイオンがスパッタリングを生じ易いようにして
いる。基材ホルダー５は導電性の材料から造られてい
る。

【００１３】スパッタ装置６は、スパッタターゲット３
を保持するもので、例えば円形の形状をしている。スパ
ッタ装置６は真空容器４の内部に配置されており、基材
２を保持する基材ホルダー５と相対峙するように配置さ
れている。スパッタ装置６は真空容器４の内部壁面に支
持部材によって支持されている。スパッタ装置６はスパ
ッタターゲット３の表面が基材２の表面に平行になるよ
うに保持して、スパッタターゲット３の表面に衝突する
プラズマ雰囲気のイオンがスパッタリングを生じ易いよ
うにしている。

【００１４】高電圧パルス電源７は、例えば、電圧−２
０ｋＶ、周波数１００Ｈｚ、パルスオン時間４０μｓの
パルス電圧を導電性の基材ホルダー５を介して基材２に
印加するものであり、通常の電圧に比べて、少ない電気
エネルギーで大きな電圧を得ることができる。高電圧パ
ルス電源７の一端は真空容器４内に延設されて基材ホル
ダー５に接続されている。高電圧パルス電源７には低電
圧パルス電源７ａやオシロスコープ７ｂが接続されてい
る

【００１５】プラズマ発生用原料ガス供給装置８は、真
空容器４の内部にプラズマ発生用原料ガスを供給する装
置で、真空容器４に一端が接続されている。プラズマ発
生用原料ガス供給装置８は複数の流量調整器（ＭＦＣ）
８ａの切り替えを通じて、プラズマ発生用原料ガスとし
ての例えばアルゴンガス、窒素ガス、炭素有機化合物ガ
スとしての例えばアセチレンガス等を適宜、真空容器４
に供給することができるようになっている。

【００１６】真空排気装置９は、真空容器４の内部の空
気を排出して真空状態にする装置で、図示しない真空ポ
ンプを装備している。真空排気装置９は真空容器４の内
部を真空に近い状態まで減圧してプラズマａが発生し易
い状態にする。

【００１７】次に、上記発明の実施の形態の構成に基づ
くスパッタ法を用いたイオンの注入方法について以下説
明する。真空容器４に基材２及びスパッタターゲット３
を入れ、基材２を基材ホルダー５に取り付けて保持させ
る。同様にスパッタターゲット３をスパッタ装置６に取
り付けて保持させる。この場合、基材２とスパッタター
ゲット３とは、非接触状態でしかも放電しない距離に離
してそれぞれ平行に配置する。

【００１８】その後、真空排気装置９を作動して、真空
容器４の空気を排出する。真空容器４の内部の空気は真
空排気装置９の図示しない真空ポンプの作動により排出
されて内部は真空状態になる。真空状態としては例えば
１０^−２パスカルの真空度である。

【００１９】真空容器４を真空状態にした後、プラズマ
発生用原料ガス供給装置８の流量調整器（ＭＦＣ）８ａ
を切り替え調整してプラズマ発生用原料ガスとしての例
えばアルゴンガスと炭素有機化合物ガスのアセチレンガ
スを真空容器４内に導入して、高周波又は直流電圧をス
パッタ装置６に給電して作動させると、スパッタ装置６
はプラズマ発生源となり、スパッタ装置６の周辺のアル
ゴンガス及びアセチレンガスからプラズマａが発生す
る。発生したプラズマａはスパッタターゲット３や基材
２の周囲をプラズマ雰囲気にする。

【００２０】そして、スパッタターゲット３や基材２の
周囲がプラズマ雰囲気になった後、高電圧パルス電源７
により、接地電位に対してマイナスの電圧をかけて基材
２をマイナスの電位状態にする。

【００２１】基材２がマイナスの電位状態になると、基
材２とスパッタターゲット３との間の内部のアセチレン
ガスのプラズマ雰囲気からプラスの電位状態のイオン
は、マイナスの電位状態の基材２の表面に吸引加速さ
れ、運動エネルギーを持ち基材２の表面に衝突して、基
材２の表面に炭素が注入されて、基材２の表面を炭素膜
２ａでコーティングする。

【００２２】高電圧パルス電源７により基材２にパルス
電圧が印加されている間、基材２とスパッタターゲット
３の外側のイオンが基材２とスパッタターゲット３との
間に飛び込んでくるが、基材２の表面とスパッタターゲ
ット３の表面とは平行にしかも放電しない距離で接近し
て配置されているために、スパッタターゲット３の表面
に対して傾斜角度を有してイオンが飛び込んで衝突する
ために、飛び込んで衝突するイオンによってスパッタタ
ーゲット３の表面の固体イオン３ａが弾き飛ばされる
（図３（Ａ）参照）。

【００２３】弾き飛ばされたスパッタターゲット３の表
面の固体イオン３ａは、対面の基材２の表面に吸引加速
されるが、基材２の表面には炭素膜２ａが形成されてお
り、固体イオン３ａは炭素膜２ａ内に衝突して注入す
る。このようにして、基材２の表面の炭素膜２ａ内には
第三元素のスパッタターゲット３の材質が添加されるこ
とになる（図３（Ｂ）参照）。

【００２４】また、基材２の表面の炭素膜中の金属や非
金属の固体イオン３ａの割合は、不活性ガスに対する炭
素有機化合物ガスの割合を調整することで調整可能とな
る。例えば、炭素膜中の金属、非金属の割合を高めると
きには、不活性ガスに対する炭素有機化合物ガスの割合
を少なくする。逆に、炭素膜中の金属、非金属の割合を
小さくするときには、不活性ガスに対する炭素有機化合
物ガスの割合を多めにする。また、炭素の膜厚の調整は
作業時間で調整する。炭素の膜厚を厚くしたい場合には
作業時間を長くする。

【００２５】また、基材２の表面に固体イオン３ａを注
入したい場合には、不活性ガスの例えばアルゴンガスを
プラズマ発生用原料ガス供給装置８から真空容器４内に
減圧状態で導入すると、アルゴンガスのプラズマａが発
生する。発生したプラズマａはスパッタターゲット３や
基材２の周囲をプラズマ雰囲気にする。

【００２６】高電圧パルス電源７により基材２にパルス
電圧が印加されている間、基材２とスパッタターゲット
３の外側のイオンが基材２とスパッタターゲット３との
間に飛び込んでくるが、基材２の表面とスパッタターゲ
ット３の表面とは平行にしかも放電しない距離で接近し
て配置されているために、スパッタターゲット３の表面
に対して傾斜角度を有してイオンが飛び込んで衝突する
ために、飛び込んで衝突するイオンによってスパッタタ
ーゲット３の表面の固体イオン３ａが弾き飛ばされる。

【００２７】弾き飛ばされたスパッタターゲット３の表
面の固体イオン３ａは、対面の基材２の表面に吸引加速
されて注入されることにより、基材２の表面の表層改質
を図ることができる。

【００２８】本願発明は、プラズマソースイオン注入法
を基本原理として用い、金属や非金属の固体イオン注入
および炭素膜に第三元素を添加するためのスパッタ法を
組み込んだものである。スパッタターゲット３を変える
ことにより様々な元素を容易に添加することができる。

【００２９】また、作製される膜の密着強度が高い特徴
がある。プラズマ中で基材２に対し高電圧パルスを印加
することによるイオン注入技術は世界的に新しく、本発
明者がこの分野で著しい成果を挙げており、本発明のよ
うにプラズマソースイオン注入法とスパッタ法を用いて
金属イオン注入およぴ炭素膜に金属元素を添加した研究
はなく新規性がある。

【００３０】本願発明は、真空容器４内に絶縁された基
材２を配置し、プラズマ源および添加したい金属源とス
パッタ装置６を取り付け、容器４内に所望のプラズマ発
生用原料ガスを導入すると同時に減圧状態に維持し、高
周波あるいは直流電力をスパッタ装置６に給電すること
によりプラズマを生成し、基材２にマイナス電位のパル
ス電圧を繰り返し印加することによって基材２にプラズ
マ中の正イオンを引き込み、照射する手段よりなる。こ
れにより基材表面に固体イオンを注入すること、および
原料ガスの一部として炭化水素を用いた場合、金属元素
を添加した炭素膜のコーティングを行うことができる。

【００３１】

【実験例−１】実験は、従来のスパッタコーティング法
によりニオブをシリコンウエハの表面にコーティングし
た場合と、本願発明に係るスパッタ法を用いたイオン注
入法でニオブをシリコンウエハの表面にコーティングし
た場合である。 〔実験条件〕両者の共通条件は、高周波電力は１５０
Ｗ、アルゴンガス、真空度は１Ｐａである。また、従来
法は高電圧パルスは０Ｖ、本願発明の高電圧パルスは、
マイナス１５ｋＶ、１ＫＨｚ、１０μｓである。 〔実験結果〕図４（Ａ）は従来法による場合の基材表面
の組成分析結果、図４（Ｂ）は本願発明による場合の基
材表面の組成分析結果である。分析結果より、本願発明
の図４（Ｂ）は従来法の図４（Ａ）に比べて、ニオブの
分布がブロードになっており、ニオブが基材中に注入さ
れていることがわかる。

【００３２】

【実験例−２】実験は、本願発明によってニオブを添加
したＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）の摩擦
摩耗試験である。 〔実験条件〕炭素有機化合物ガスを含むプラズマ発生用
原料ガスの割合は、アルゴンガス：アセチレンガス＝２
０：５である。高周波電力は１５０Ｗ、真空度は１Ｐａ
である。また、高電圧パルスは、マイナス１０ｋＶ、１
００Ｈｚ、１００μｓである。 〔実験結果〕図５の図中、（ａ）はＤＬＣ膜、（ｂ）は
１１ａｔ％のニオブを含むＤＬＣ膜、、（ｃ）は３４ａ
ｔ％のニオブを含むＤＬＣ膜、（ｄ）は５０ａｔ％のニ
オブを含むＤＬＣ膜である。超硬合金ボルを加重２００
ｇで試料に押さえつけながら試料を高速回転したときの
摩擦摩耗特性を調べた結果、（ｂ）のニオブを１１ａｔ
％添加したＤＬＣ膜の摩擦係数が最も低く、１００００
回回転後も低い値を保ち、摩擦摩耗特性に優れているこ
とがわかる。

【００３３】

【実験例−３】実験は、本願発明によるニオブを添加し
たＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）のＸ線回
析試験である。 〔実験条件〕炭素有機化合物ガスを含むプラズマ発生用
原料ガスの割合は、アルゴンガス：アセチレンガス＝１
５：４〜３０：４である。高周波電力は１５０Ｗ、真空
度は１〜３Ｐａである。また、高電圧パルスは、マイナ
ス１０ｋＶ、１００Ｈｚ、１００μｓである。 〔実験結果〕図６より、ニオブ濃度増加に伴いニオブと
炭素の化合物が生成していることがわかる。

【００３４】

【実験例−４】実験は、本願発明によるニオブを添加し
たＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）の電気抵
抗率に及ぼすニオブ添加量の影響について行った。 〔実験条件〕炭素有機化合物ガスを含むプラズマ発生用
原料ガスの割合は、アルゴンガス：アセチレンガス＝１
５：４〜３０：４である。高周波電力は１５０Ｗ、真空
度は１〜３Ｐａである。また、高電圧パルスは、マイナ
ス１０ｋＶ、１００Ｈｚ、１００μｓである。 〔実験結果〕図７より、純粋なＤＬＣ膜（ダイヤモンド
ライクカーボン膜）の電気抵抗は非常に大きいが、膜中
へのニオブ添加に伴い急激に減少している。ＤＬＣ膜へ
の金属元素添加は、ＤＬＣ膜の電気的特性を制御するこ
とに効果的であることがわかる。

【００３５】なお、本願発明は上記発明の実施の形態に
限定されるものではなく、本願発明の精神を逸脱しない
範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。

【００３６】

【発明の効果】以上の記載より明らかなように、請求項
１〜請求項３の発明によれば、固体イオン例えば金属イ
オンを基材表面に注入する場合、従来では先ず金属を気
化しプラズマ状態にした後、加速器により高い運動エネ
ルギーを与える必要があるため、装置が大がかりになる
欠点があったが、本願発明ではスパッタリング効果を利
用することにより、固体イオンの基材表面への注入が簡
便な方法で可能となり、コストを廉価することができ、
経済的である。また、請求項２の発明によれば、基材表
面をコーティングする炭素膜に様々な第三元素の添加が
容易になった。本願発明によると、添加元素濃度の制御
が非常に容易であるため、制御性に優れた成膜法を供給
でき、産業界での炭素膜の用途が広まる。本願発明の応
用としては、機械金属部品、治工具、金型、表示器用電
解放射材料などへの応用が想定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の実施の形態を示すスパッタ法を用い
たイオン注入装置の構成図である。

【図２】本願発明の実施の形態を示すスパッタ装置６の
斜視図である。

【図３】（Ａ）は本願発明の実施の形態を示す概念図で
ある。（Ｂ）は本願発明の実施の形態を示す基材表面に
コーティングした炭素膜の部分拡大断面図である。

【図４】（Ａ）は従来法によりニオブをコーティングし
たシリコンウエハの表面の組成分析を示す図である。
（Ｂ）は本願発明によりニオブをコーティングしたシリ
コンウエハの表面の組成分析を示す図である。

【図５】本願発明の実験例−２のニオブを添加したＤＬ
Ｃ膜の摩擦摩耗試験を示す図である。

【図６】本願発明の実験例−３のニオブを添加したＤＬ
Ｃ膜のＸ線回析を示す図である。

【図７】本願発明の実験例−４のＤＬＣ膜の電気抵抗率
に及ぼすニオブ添加量の影響を示す図である。

【符号の説明】

１ イオン注入装置 ２ 基材 ２ａ 炭素膜 ３ スパッタターゲット ３ａ 固体イオン ４ 真空容器 ５ 基材ホルダー ５ａ アルミナ絶縁板 ５ｂ 支持部材 ６ スパッタ装置 ６ａ 高周波又は直流電源 ７ 高電圧パルス電源 ７ａ 低電圧パルス電源 ７ｂ オシロスコープ ８ プラズマ発生用原料ガス供給装置 ８ａ 流量調整器（ＭＦＣ） ９ 真空排気装置 ａ プラズマ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 減圧状態のプラズマ発生用原料ガス中
   に、基材の表面とスパッタターゲットの表面とを非接触
   状態で放電を生じない間隔にあけて対面状態に配置し、
   スパッタターゲットの表面に対して傾斜角度を有してプ
   ラズマ雰囲気のイオンを衝突させ、スパッタリング効果
   を利用してスパッタターゲットの表面から固体イオンを
   弾き飛ばして放出させ、放出した固体イオンを対面に位
   置する基材の表面に注入させることを特徴とするスパッ
   タ法を用いたイオン注入法。
2. 【請求項２】 炭素有機化合物ガスを含む減圧状態のプ
   ラズマ発生用原料ガス中に、基材の表面とスパッタター
   ゲットの表面とを非接触状態で放電を生じない間隔にあ
   けて対面状態に配置し、スパッタターゲットの表面に対
   して傾斜角度を有してプラズマ雰囲気のイオンを衝突さ
   せ、スパッタリング効果を利用してスパッタターゲット
   の表面から固体イオンを弾き飛ばして放出させ、放出し
   た固体イオンを対面に位置する基材の表面をコーティン
   グする炭素膜中に注入させることを特徴とするスパッタ
   法を用いたイオン注入法。
3. 【請求項３】 真空容器にプラズマ発生用原料ガス供給
   装置と真空排気装置とを設け、真空容器内に、基材を保
   持する基材ホルダーと、基材表面に対してスパッタター
   ゲットの表面を非接触状態で放電を生じない間隔にあけ
   てスパッタターゲットを保持すると共に高周波又は直流
   電圧の給電によりプラズマ発生源となるスパッタ装置を
   配置し、基材にマイナス電位のパルス電圧を印加する高
   電圧パルス電源を設け、スパッタ装置に高周波又は直流
   電源を接続したことを特徴とするスパッタ法を用いたイ
   オン注入装置。