JP2004292849A

JP2004292849A - 固体炭素系蒸発源、蒸発源、炭素系薄膜の形成方法及び炭素系薄膜形成装置

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Publication number: JP2004292849A
Application number: JP2003083621A
Authority: JP
Inventors: Konosuke Inagawa; 幸之助稲川; Tatsuhiro Nozue; 竜弘野末
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP4259899B2

Abstract

【課題】基板上に炭素系薄膜を含む複数の薄膜層を積層して形成する際に、固体炭素系蒸着源用の設備に加えて、他の蒸発源用の設備を必要としない固体炭素系蒸発源を提供する。
【解決手段】固体炭素系蒸発源の蒸発面の一部に、他の蒸発源用の凹部を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基材に、耐摩耗性、摺動性、耐凝着性、離型性などを付与することを目的として形成されるダイヤモンド状炭素膜や窒化炭素膜などの炭素系薄膜を形成するための固体炭素系蒸発源、蒸発源、炭素系薄膜の形成方法及び炭素系薄膜形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基材にダイヤモンド状炭素（以下、ＤＬＣとする。）膜等の炭素系薄膜を形成する方法としては、プラズマを利用して炭化水素を分解し、基材に負電圧をかけて堆積させるイオンプレーティングや、同様にプラズマを利用して炭化水素を分解し、基材の表面上で化学反応を起こさせて堆積させる真空蒸着法や、負電圧がかけられているターゲットに高速でイオンを衝突させることにより、ターゲットの構成原子を飛び出させ、被膜を形成するスパッタリング法等がある。
これらの方法により形成される炭素系薄膜は、基材への密着性を高めるために、基材に中間薄膜層を介して形成されるようにしていた。
しかしながら、真空蒸着又はイオンプレーティングのように電子ビームを蒸着源に照射して中間薄膜層を形成する場合には、固体炭素系蒸発源以外にも、中間薄膜層を形成するための他の蒸発源を別体として設けるようになるため、他の蒸発源用に水冷ハース等の設備が必要であり、装置コストが高くなり、結果として炭素系薄膜の形成コストが高くなってしまうという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、基板上に炭素系薄膜を含む複数の薄膜層を積層して形成する際に、固体炭素系蒸着源用の設備に加えて、他の蒸発源用の設備を必要としない固体炭素系蒸発源を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明者等は鋭意検討の結果、炭素系薄膜形成用の固体炭素系蒸発源の蒸発面の一部に、他の蒸発源を配置するための凹部を設けることにより、上記課題を解決すること見出した。
即ち、本発明の固体炭素系蒸発源は、請求項１に記載の通り、固体炭素系蒸発源の蒸発面の一部に、他の蒸発源用の凹部を設けたことを特徴とする。
また、本発明の蒸発源は、請求項２に記載の通り、請求項１に記載の固体炭素系蒸発源の凹部に、他の蒸発源を配置したことを特徴とする。
また、請求項３に記載の蒸発源は、請求項２に記載の蒸発源において、前記他の蒸発源は、金属系又はセラミック系材料から形成されることを特徴とする。
また、本発明の炭素系薄膜の形成方法は、請求項４に記載の通り、請求項２又は３に記載の蒸発源を、真空蒸着又はイオンプレーティングにおいて使用して、基板上に薄膜を積層して形成することを特徴とする。
また、本発明の炭素系薄膜形成装は、請求項５に記載の通り、請求項１に記載の固体炭素系蒸発源、或いは、請求項２又は３に記載の蒸発源を備えたことを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の固体炭素系蒸発源は、固体炭素系蒸発源の蒸発面の一部に、他の蒸発源用の凹部を設けることにより、薄膜形成装置内に固体炭素系蒸発源用の水冷ハース等の設備に加えて、他の蒸発源用の設備を設ける必要がない。
【０００６】
前記固体炭素系蒸発源は、グラファイト等の炭素系の材料により円錐台形状等の所望の形状に形成されて使用される。
前記固体炭素系蒸発源の蒸発面の一部に設けられる凹部は、例えば、ドリル等により蒸発面に対して垂直方向に、有底状に穿孔することにより形成することができ、その深さについては、後述する断面形状とともに、凹部に配置される他の蒸発源の量に応じて決定することができる。例えば、固体炭素系蒸発源の厚みに対して２／３程度の深さ等とすることができる。
【０００７】
また、前記凹部を設ける位置は、特に限定するものではないが、好ましくは、固体炭素系蒸発源の蒸発面の中心から離れた位置とする。
【０００８】
また、前記凹部の断面形状についても特に限定するものではないが、照射される電子ビームの断面形状に合わせて、円形状とすることが好ましい。また、凹部の断面積についても、凹部に配置される他の蒸発源の量に応じて決定することができる。従って、特に限定するものではないが、その一例として、固体炭素系蒸発源の蒸発面の面積に対して、１／１０程度とすることができる。
【０００９】
前記凹部に配置される他の蒸発源は、例えば、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＷＣ、ＷＣ−Ｃｏ、ＣｒＣ、ＣｒＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４等により形成することができる。尚、炭素系薄膜と基板との間に形成される中間薄膜層形成用の蒸発源として使用する場合には、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＷＣ、ＷＣ−Ｃｏ、ＣｒＣ、ＣｒＮ、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４により形成すれば、炭素系薄膜の基板への密着性がより向上することになるので特に好ましい。
【００１０】
蒸発源に照射される電子ビームとしては、例えば、ホローカソード放電ガン（以下、ＨＣＤガンとする。）を使用することができる。前記電子ビーム径については、前記他の蒸発源の蒸発面の面積よりも小さいビーム径のものを選択することができ、例えば、他の蒸発源の断面形状が直径１５ｍｍの円形状であれば、ビーム径は８ｍｍ程度とすることができる。
【００１１】
前記ＨＣＤガンによる放電を利用した薄膜の形成は、次のようにして行われる。即ち、真空排気系に連通させて所定の圧力に設定した処理室内において、処理室内に窒素ガスを導入しながら、タンタル製のホローカソード放電ガンより、銅製水冷ハース内の蒸発源に対してアルゴンガスを流し込み、このアルゴンガスを前記ＨＣＤガンと前記水冷ハース間にかけた直流電圧によりイオン化することで大電流を得、蒸発源を加熱、昇華させるようにする。このホローカソード放電の大電流により導入窒素ガスや炭素のイオン化が促進され、炭素系薄膜の高い成膜速度を実現することができる。
前記ホローカソード放電では、３０〜４０Ｖの低電圧で、１００〜１０００Ａの大電流の電子ビームが得られるが、原子のイオン化が最大値をとる電離電圧（１００Ｖ近傍）の電圧に近く、また、大電流であるため、原子と電子の衝突確率が極めて大きく、そのため、蒸着材料のイオン化が極めて大きい。従って、ホローカソード電流が大きいほど、成膜速度は大きくなるが、あまり大きすぎると、得られる炭素系薄膜の表面が粗くなるため、ホローカソード放電を利用した蒸着で炭素系薄膜を成膜するには、ホローカソード電流は１５０〜３００Ａが適切である。
尚、イオン化されたアルゴンガスを基板に印加した電場で加速衝突させることで、基板表面のクリーニング効果を高めることができる。
【００１２】
また、炭素系薄膜が形成される基板は、浮遊電位、接地電位、或いは、外部からの電位を印加した状態においてもよい。
また、前記外部印加電位は直流、高周波、或いは、低周波の任意の電位を用いることができる。
この場合、直流では、−２００Ｖ、１〜２Ａ、商用周波数の交流では２００Ｖ、２〜３Ａ、高周波電位の場合の電力は１００〜５００Ｗである。
【００１３】
以下、図面に基づいて、本発明の固体炭素系蒸発源、蒸発源、炭素系薄膜形成方法及び炭素系薄膜形成装置について説明する。
図１（ａ）は、本発明の蒸発源Ｂの一例の側断面図、同図（ｂ）は同平面図を示すものである。同図（ａ）に示されるように、円錐台形状に形成された固体炭素系蒸発源Ｃの蒸発面の一部には、凹部Ｇが設けられており、この凹部Ｇに他の蒸発源Ｍが配置されている。
【００１４】
前記蒸発源Ｂは、図２に示される炭素系薄膜形成装置に装着される。
同図中１はステンレス製の処理室を示し、この処理室１は図略の真空排気系に連通され、処理室１内を所望の圧力（真空度）に調整自在とされている。
処理室１内の底部には、銅製水冷ハース２が設けられ、該ハース２内に蒸発源Ｂを収容できるようになっている。
蒸発源Ｂの上方には、基板Ａに向かって飛散する蒸着材料を必要に応じて遮断するためのシャッター１４、１４が設けられており、シャッター１４、１４は駆動装置１５、１５を介して図示しないが電源に接続されている。
前記水冷ハース２の直上にはアルゴン供給管３に連通されるタンタル製のＨＣＤガン４が配置されている。これら水冷ハース２とＨＣＤガン４とはＨＣＤガン電源５に接続されている。また、ＨＣＤガン４は、蒸発源Ｂの上方を移動自在に構成されている。
【００１５】
図中６はガス供給通路７に連通される窒素ガス導入ノズルを示し、前記水冷ハース２の側方に隣接配置され、処理室１内に窒素ガスを導入できるようになっている。このガス導入ノズル６はノズルバイアス電源８に接続され、窒素ガスのイオン化を促進するためのバイアス電圧を印加できるようになっている。
【００１６】
また、前記水冷ハース２の周囲にコイル用電源９に接続されるコイル１０が配置され、前記イオン化されたアルゴンガスのプラズマを収束できるようになっている。
【００１７】
また、処理室１内の天井部には基板ホルダー１１が設けられ、基板Ａを支持自在とされ、この基板ホルダー１１の背面に設けられたヒーター１２で基板Ａを所定温度に加熱自在とされている。尚、前記基板Ａは加熱しても、或いは、加熱せずに室温状態でも薄膜が得られるが、薄膜と基板の密着性を向上させるためには、加熱することが好ましく、この場合、４００℃以下に加熱するのが好ましい。
【００１８】
また、基板ホルダー１１には基板バイアス電源１３が接続され、必要に応じ、直流、高周波、低周波などの任意のバイアスをかけることができるようになっている。
【００１９】
かくして、ＨＣＤガン４より、水冷ハース２内の蒸発源Ｃに対してアルゴンガスを流し込み、必要に応じてガス導入ノズル６から処理室１内に窒素ガス導入しながら、ＨＣＤガン電源５からの通電により、このアルゴンガス及び／又は窒素ガスを、前記ＨＣＤガン４と前記水冷ハース２間にかけた直流電圧によりイオン化することで大電流を得ることができる。
【００２０】
そして、図１及び図２に示すように、ＨＣＤガン４を中間薄膜形成用の他の蒸発源Ｍの上方に配置し、蒸発源Ｍを加熱、昇華させ（状態▲１▼）、基板Ａ上に中間薄膜層を形成してからシャッター１４、１４を閉じ、ＨＣＤガン４を固体炭素系蒸発源Ｂの上方に移動してシャッター１４、１４を開いて、固体炭素系蒸発源Ｃを加熱、昇華させ（状態▲２▼）、前記中間薄膜層の上に炭素系薄膜を形成することができるようになっている。
【００２１】
【実施例】
次に、本発明の固体炭素蒸発源及びこれを用いた炭素系薄膜の形成方法の具体的実施例について説明する。
（実施例１）
本実施例の蒸発源は、グラファイトから形成された固体炭素系蒸発源の蒸発面の一部に、直径１５ｍｍ、深さ２０ｍｍの円筒状の凹部を設け、前記凹部に、Ｓｉから形成された円筒状の中間薄膜形成用の他の蒸発源を固設することにより作製した。
また、基材として高速度鋼（ＳＫＨ−５５）を設置し、処理室を１０^−３Ｐａ程度に排気した後、タンタル社製ＨＣＤガンからアルゴンガスを導入し、２０Ｐａの圧力に調整した。
第１段階として、基材のクリーニングを以下の条件で行った。
即ち、アルゴンガス流量２０ｓｃｃｍ、圧力８．６Ｐａ、基材−接地間電圧−８００Ｖ、クリーニング時間２０分とした。
その後、ホローカソード放電を誘起した。ＨＣＤガン−ハース間に５０Ｖの電圧とし、それに重畳し、高周波電圧を印加し、アルゴンガスのグロー放電を起こさせた。ＨＣＤガンとハース間の放電を促進するために、ＨＣＤガンに併設した補助電極とＨＣＤガンの間に最大３５０Ｖの電圧を印加した。ＨＣＤガン−ハース間のアーク放電が点火した後、アルゴンガスの流量を変えずに、処理室を油拡散ポンプで排気し、０．１Ｐａ程度の圧力にした。尚、アルゴンガスのプラズマを収束させるためにコイルに２００Ａの電流を流して磁場を発生させた。
次に、第２段階で、Ｓｉの蒸着を行った。即ち、クリーニング条件から１分間で以下の様に装置の条件を変えた。
ＨＣＤガン電流１５０Ａ、アルゴンガス流量１０ｓｃｃｍ、圧力０．１６Ｐａ、コイル電流２００Ａ、基板−接地間電圧−２００Ｖとして、５分間で約０．２μｍのＳｉ膜が得られるようにした。成膜速度は、４０ｎｍ／ｍｉｎであった。
次に、第３段階で、ＤＬＣ膜の蒸着を行った。ＨＣＤガン電流２００Ａ、アルゴンガス流量１０ｓｃｃｍ、コイル電流２００Ａ、基板への電位を印加なしとして、１０分間で厚さ約１μｍのＤＬＣ膜が得られるようにした。成膜速度は１００ｎｍ／ｍｉｎであった。
得られた被膜の全膜厚は、約１．２μｍで、微小ビッカース硬さは１８００であった。
【００２２】
（実施例２）
本実施例の蒸発源は、実施例１の中間薄膜形成用の他の蒸発源の代わりにＷＣ−Ｃｏから形成した蒸発源とした以外は実施例１と同様にして蒸発源を作製した。
基材として実施例１と同様に高速度鋼を接地し、第１段階の基材のクリーニングを行った。
第２段階の金属蒸着には、超硬チップ（ＷＣ−Ｃｏ）を蒸発材料に使用した。ＨＣＤガン電流２００Ａ、アルゴンガス流量１０ｓｃｃｍ、コイル電流２００Ａ、基板への電位印加なしとして、５分間で約０．２μｍのＷＣ−Ｃｏ膜が得られるようにした。成膜速度は、４０ｎｍ／ｍｉｎであった。
次に第３段階のＤＬＣ膜の生成は、実施例１と同一条件で行った。
得られた被膜の全膜厚は、約１．２μｍで、微小ビッカース硬さは１８００であった。
【００２３】
（実施例３）
本実施例の蒸発源は、実施例１の中間薄膜形成用の他の蒸発源の代わりにＣｒから形成した蒸発源とした以外は実施例１と同様にして蒸発源を作製した。
基材として実施例１と同様に高速度鋼を接地し、第１段階の基材のクリーニングを行った。
第２段階の金属蒸着には、Ｃｒを蒸発させた。ＨＣＤガン電流１００Ａ、アルゴンガス流量２０ｓｃｃｍ、コイル電流２００Ａ、基板への電位印加なしとして、２分間で約０．２μｍのＣｒ膜が得られるようにした。成膜速度は、１００ｎｍ／ｍｉｎであった。
次に第３段階のＤＬＣ膜の生成は実施例１と同一条件で行った。
得られた被膜の全膜厚は、約１．２μｍで、微小ビッカース硬さは１８００であった。
【００２４】
（実施例４）
本実施例の蒸発源は、実施例１と同様にして作製した。
実施例１の第３段階での成膜におけるＤＬＣ膜に代え、窒化炭素膜を蒸着し、他は全て実施例１と同一条件とした。
第３段階における窒化炭素膜の蒸着は、ＨＣＤガン電流１５０Ａ、ＨＣＤガンからのアルゴンガス流量１０ｓｃｃｍ、ガス導入ノズルからの窒素ガス流量１６０ｓｃｃｍ、コイル電流２００Ａ、基材への電位印加なし、ノズル−接地間電圧＋５０Ｖとして、１５分間実施した。厚さ約１．５μｍの窒化炭素膜が得られ、微小ビッカース硬さは１９００であった。
【００２５】
（実施例５）
本実施例では、蒸発源は実施例１と同様のものを使用した。
実施例１の第３段階での成膜におけるＤＬＣ膜に代え、窒化炭素膜を蒸着し、他は全て実施例１と同一条件とした。
第３段階における窒化炭素膜の蒸着は、ＨＣＤガン電流１５０Ａ、ＨＣＤガンからのアルゴンガス流量０ｓｃｃｍ、ＨＣＤガンからの窒素ガス流量０ｓｃｃｍ、コイル電流２００Ａ、基材への電位印加なしとして、１５分間実施した。厚さ約１μｍの窒化炭素膜が得られ、微小ビッカース硬さは２１００であった。
【００２６】
上記実施例１〜５の炭素系薄膜形成法により形成された炭素系薄膜は、いずれも基板への密着性に優れ、形成された炭素系薄膜の硬度についても十分なものが得られた。
また、上記実施例１乃至５の炭素系薄膜形成法によれば、固体炭素系蒸発源と中間薄膜形成用蒸発源とに必要とされる水冷ハースが１つでよく、設備費が少なく装置がコンパクトにすることができた。
【００２７】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、基板上に複数の薄膜を形成する際に、固体炭素系蒸発源の蒸発面の一部に凹部を設けるとともに他の蒸発源を配置することにより、固体炭素系蒸発源用の水冷ハース等の設備を他の蒸発源用にも利用することができる。また、前記凹部に配置する蒸発源を、炭素系薄膜の基板への密着性を向上させるための中間薄膜層形成用の蒸発源とすることにより、中間薄膜層の形成が容易となる。
また、本発明の炭素系薄膜の形成方法によれば、設備コストがかからず、安価に炭素系薄膜を形成することができる。
また、本発明の炭素系薄膜形成装置によれば、装置のコンパクト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の一実施の形態である蒸発源の側断面図
（ｂ）同平面図
【図２】本発明の炭素系薄膜形成装置の一実施の形態を示す説明図
【符号の説明】
１処理室
２銅製水冷ハース
３アルゴンガス（窒素）供給管
４ＨＣＤガン
５ＨＣＤガン電源
６窒素ガス導入ノズル
７ガス供給経路
８ノズルバイアス電源
９コイル用電源
１０コイル
１１基板ホルダー
１２ヒーター
１３バイアス電源
１４シャッター
１５シャッター駆動装置
Ａ基板
Ｂ蒸発源
Ｃ硬質炭素系蒸発源
Ｍ他の蒸発源

Claims

固体炭素系蒸発源の蒸発面の一部に、他の蒸発源用の凹部を設けたことを特徴とする固体炭素系蒸発源。
請求項１に記載の固体炭素系蒸発源の凹部に、他の蒸発源を配置したことを特徴とする蒸発源。
前記他の蒸発源は、金属系又はセラミック系材料から形成されることを特徴とする請求項２に記載の蒸発源。
請求項２又は３に記載の蒸発源を、真空蒸着又はイオンプレーティングにおいて使用して、基板上に薄膜を積層して形成することを特徴とする炭素系薄膜の形成方法。
請求項１に記載の固体炭素系蒸発源、或いは、請求項２又は３に記載の蒸発源を備えたことを特徴とする炭素系薄膜形成装置。