JP2006307251A - Method for producing diamond-like carbon thin film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザーデトネーション法で形成される高エネルギーを持つ炭素原子ビームを用いて、ダイヤモンドライクカーボン薄膜を作製する技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for producing a diamond-like carbon thin film using a high-energy carbon atom beam formed by a laser detonation method.
ダイヤモンドライクカーボン(DLC)はアモルファス系高硬度炭素薄膜の総称であり、一般に用いられているDLCは構造も物性も曖昧で、ダイヤモンドに近い構造を有する膜からグラファイトや炭化水素系高分子に近い構造を有する膜まで多種多様である。
DLCは高い耐磨耗性を持つダイヤモンドと、大気中で良好な潤滑特性を持つグラファイトの混合物質であり、1971年にAisenbergらにより初の報告がなされて以来、その優れた物理・化学的特性により様々な分野への応用が図られている。
Diamond-like carbon (DLC) is a general term for amorphous high-hardness carbon thin films, and generally used DLC is vague in structure and physical properties, and has a structure close to that of graphite and hydrocarbon polymers from a film having a structure close to diamond. There are a wide variety of films including
DLC is a mixed material of diamond with high wear resistance and graphite with good lubrication properties in the atmosphere, and since its first report by Aisenberg et al. In 1971, its excellent physical and chemical properties As a result, it is applied to various fields.
例えば、DLCの絶縁性,低誘電率を利用してプラズマディスプレー用電子放出デバイスやLSI用絶縁膜に、高い赤外線透過率と高硬度を利用して赤外線用ウインドウ保護膜に、化学的安定性を利用して各種金型用コーティングや工具に、また優れた摺動特性を利用して各種機械部品や水栓,磁気ディスクの表面コーティングなどに広く応用が進んでいる。
また、潤滑油の環境負荷削減や、省エネルギー化も目的として、DLCをトライボロジー(磨耗・摩擦)分野へ応用しようという動きもあり、自動車用エンジン部品の固体潤滑用保護膜としての利用も始められている。
For example, DLC's insulation and low dielectric constant can be used for plasma display electron-emitting devices and LSI insulation films, and high infrared transmittance and high hardness can be used for infrared window protection films for chemical stability. It is widely applied to coatings and tools for various molds, and to various mechanical parts, faucets, and surface coatings of magnetic disks using its excellent sliding characteristics.
In addition, there is a movement to apply DLC to the tribology (wear and friction) field for the purpose of reducing the environmental load of lubricating oil and saving energy, and the use as a protective film for solid lubrication of automotive engine parts has also begun. Yes.
現在、DLC薄膜の作製方法は大きく物理蒸着法(PVD)と化学蒸着法(CVD)の2種類に分けられる。PVDではマグネトロンスパッタ法,イオンビームデポジション法等が、CVDではプラズマCVD法が用いられることが多い(例えば、特許文献1)。
しかし、このようなDLC薄膜の作製方法においては、DLC薄膜はドライプロセスで形成されるため、ターゲット基板との密着性の問題がある。また、DLC薄膜の諸特性は作製方法や作製条件に強く依存しており、ターゲット基板との密着性や三次元形状基板あるいは大面積基板上での均一性、成膜速度や摺動環境依存性などの問題がある。
Currently, there are two main types of DLC thin film fabrication methods: physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD). Magnetron sputtering and ion beam deposition are often used for PVD, and plasma CVD is often used for CVD (for example, Patent Document 1).
However, in such a method for producing a DLC thin film, since the DLC thin film is formed by a dry process, there is a problem of adhesion to the target substrate. In addition, the characteristics of DLC thin films are strongly dependent on the fabrication method and fabrication conditions. Adhesion with the target substrate, uniformity on a three-dimensional substrate or large area substrate, deposition rate, and sliding environment dependency There are problems such as.
また、ターゲット基板との密着性を向上させるDLC薄膜の作製方法として、レーザーなどの高エネルギービームによるアブレーション現象を利用する薄膜作製方法(レーザーアブレーション法)がある。アブレーションとは、レーザーなどの高エネルギー密度を有するビームを固体ターゲット表面に照射した際、ビームエネルギーを吸収した物質が大きなエネルギーもつフラグメントとして飛散する現象である。しかし、固体ターゲットのレーザー加熱にともなうミクロンあるいはサブミクロン程度の溶融再凝固粒子(ドロップレット)や固体ターゲットのかけらなどの粗大粒子の混入による膜質低下の問題があり、実用化にはいたっていない。 In addition, as a method for producing a DLC thin film that improves adhesion to a target substrate, there is a thin film production method (laser ablation method) that utilizes an ablation phenomenon by a high energy beam such as a laser. Ablation is a phenomenon in which when a solid target surface is irradiated with a beam having a high energy density such as a laser, a substance that has absorbed the beam energy is scattered as a fragment having a large energy. However, there is a problem of film quality deterioration due to mixing of coarse particles such as molten re-solidified particles (droplets) of about micron or sub-micron accompanying the laser heating of the solid target and fragments of the solid target, and it has not been put into practical use.
本発明は、DLC薄膜とターゲット基板との密着性を向上し、また、レーザーアブレーション法で問題となる溶融再凝固粒子(ドロップレット)や固体ターゲットのかけらなどの粗大粒子の混入によるなどによるDLC薄膜の品質低下の回避できるダイヤモンドライクカーボン薄膜の作製方法を提供することを目的とする。 The present invention improves the adhesion between the DLC thin film and the target substrate, and the DLC thin film is caused by mixing of coarse particles such as molten re-solidified particles (droplets) and solid target fragments, which are problematic in the laser ablation method. An object of the present invention is to provide a method for producing a diamond-like carbon thin film capable of avoiding deterioration of quality.
本発明者らは、種々の方法でDLC薄膜の作製を試み、作製方法の改良を重ねた結果、本発明に係るダイヤモンドライクカーボン薄膜の作製方法を完成した。
本発明の観点からは、超熱炭素原子ビームを固体ターゲットに照射させることにより、該固体ターゲット表面にダイヤモンドライクカーボン薄膜を形成させることを特徴とするダイヤモンドライクカーボン薄膜の作製方法が提供される。
ここで、超熱炭素原子ビームとは、原子間結合エネルギーに相当する並進エネルギー1〜10 eV程度を有し、原子状炭素流束(フラックス)が1013-15 atoms/cm2s程度以上である炭素原子ビームをいう。
The inventors of the present invention attempted to produce a DLC thin film by various methods, and as a result of repeated improvements to the production method, completed the method for producing a diamond-like carbon thin film according to the present invention.
From the viewpoint of the present invention, there is provided a method for producing a diamond-like carbon thin film characterized by irradiating a solid target with a superheated carbon atom beam to form a diamond-like carbon thin film on the surface of the solid target.
Here, the superheated carbon atom beam has a translational energy of about 1 to 10 eV corresponding to an interatomic bond energy, and an atomic carbon flux (flux) of about 10 13-15 atoms / cm 2 s or more. A carbon atom beam.
本発明によれば、上記の超熱炭素原子ビームは、レーザーデトネーション法により生成されるが好ましい。
レーザーデトネーション法とは、パルス状に原料ガスを導入するノズル状の原料導入ノズル口に、該原料ガスに同期した炭酸ガスレーザーを集光させ、該原料ガスを解離して原子状ビームを生成する方法である。
原料導入ノズル口に、炭酸ガスレーザーを照射することで,原料ガス分子を原子状に解離させ,基板構成原子の原子間結合エネルギーに相当する5eV程度の並進エネルギーを有する原子ビームを発生させることができることができるのである。
ここで原料ガスにメタン、エチレン、アセチレンなどの直鎖炭化水素ガスを用いることで、炭素原子ビームを発生させ、固体ターゲット基板表面にダイヤモンドライクカーボン薄膜を形成させるのである。
特に、原料ガスにメタンガス(CH4)を用いることにより、水素化DLC薄膜を形成することができるのである。
According to the present invention, the superheated carbon atom beam is preferably generated by a laser detonation method.
In the laser detonation method, a carbon dioxide laser synchronized with the raw material gas is condensed at a nozzle-like raw material introduction nozzle port for introducing the raw material gas in pulses, and the raw material gas is dissociated to generate an atomic beam. Is the method.
By irradiating the raw material introduction nozzle port with a carbon dioxide laser, the raw material gas molecules can be dissociated into atoms and an atomic beam having a translational energy of about 5 eV corresponding to the interatomic bond energy of the substrate constituent atoms can be generated. It can be done.
Here, by using a straight chain hydrocarbon gas such as methane, ethylene, or acetylene as a raw material gas, a carbon atom beam is generated, and a diamond-like carbon thin film is formed on the surface of the solid target substrate.
In particular, a hydrogenated DLC thin film can be formed by using methane gas (CH 4 ) as a raw material gas.
また、超熱炭素原子ビームを照射させる固体ターゲットは、シリコンなどの半導体基板や、ガラス,石英,金属などの基板、さらにはプラスチックフィルム,高分子系繊維からなる所謂フレキシブル基板などである。 The solid target to be irradiated with the superheated carbon atom beam is a semiconductor substrate such as silicon, a substrate such as glass, quartz or metal, a so-called flexible substrate made of a plastic film or a polymer fiber.
本発明に係るダイヤモンドライクカーボン薄膜の作製方法は、超熱炭素原子ビームを直接的に固体ターゲット表面に照射することにより成膜するものであり、キャリアガスを必要としないため、通常の分子線ビーム比べて膜内への不純物の混入を抑えることができ、DLC薄膜の品質を向上する効果を有する。
また、原料ガスであるメタンガスを原子状に解離させ、炭素原子ビームを生成するため、レーザーアブレーション法で問題となる溶融再凝固粒子(ドロップレット)や固体ターゲットのかけらなどの粗大粒子の混入によるなどによるDLC薄膜の品質低下の回避できる。
また、本発明に係るダイヤモンドライクカーボン薄膜の作製方法は、固体ターゲット表面の原子と炭素原子が共有結合することによってDLC薄膜が生成されるため、DLC薄膜とターゲット基板との密着性を向上するといった効果がある。
The method for producing a diamond-like carbon thin film according to the present invention forms a film by directly irradiating the surface of a solid target with a superheated carbon atom beam, and does not require a carrier gas. Compared with this, impurities can be prevented from being mixed into the film, and the quality of the DLC thin film can be improved.
Also, by dissociating the methane gas, which is the source gas, into an atomic form and generating a carbon atom beam, it is caused by the inclusion of coarse particles such as molten resolidified particles (droplets) and solid target fragments that are problematic in laser ablation methods, etc. Can prevent the degradation of DLC thin film quality.
Further, the method for producing a diamond-like carbon thin film according to the present invention improves the adhesion between the DLC thin film and the target substrate because the DLC thin film is generated by covalently bonding atoms and carbon atoms on the surface of the solid target. effective.
以下、本発明に係るダイヤモンドライクカーボン薄膜の作製方法の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。 Hereinafter, embodiments of a method for producing a diamond-like carbon thin film according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
実施例として、レーザーデトネーション法を用いて超熱炭素原子ビームを生成し、生成した超熱炭素原子ビームを固体ターゲットに照射させることにより、該固体ターゲット表面にダイヤモンドライクカーボン薄膜を形成するという作製方法について説明する。先ず、レーザーデトネーション型原子状ビーム発生装置について、図1の概略図を示しながら説明する。 As an example, a superheated carbon atom beam is generated using a laser detonation method, and a diamond-like carbon thin film is formed on the surface of the solid target by irradiating the generated superheated carbon atom beam to the solid target. Will be described. First, a laser detonation type atomic beam generator will be described with reference to the schematic diagram of FIG.
レーザーデトネーション型原子状ビーム発生装置は、図1に示すように、真空チャンバー内に、ピエゾ駆動のパルスバルブ3によってパルス状に原料ガスが導入される原料導入ノズル口1に、そのパルスに同期して炭酸ガスレーザー光を集光し照射させることで、ガス分子を原子状に解離・加速させることで、5eV程度の並進エネルギーを有する炭素原子ビームとして固体ターゲット基板5の表面に照射させるものである。
真空チャンバーは、図示しない真空排気装置に連結され、チャンバー内を10-3Paの以下の圧力とできる。これによって、固体ターゲット基板5への不純物の付着等を防止することができる。また、本成膜方法は、炭素原子ビームを直接的に固体ターゲット基板5の表面に照射して成膜するため、特にキャリアガスを必要としない。これも固体ターゲット基板5への不純物の付着が生じない理由である。固体ターゲット基板表面への不純物の付着がないことから、固体ターゲット基板表面と成膜する薄膜との密着性が向上するのである。
As shown in FIG. 1, the laser detonation type atomic beam generator is synchronized with a pulse in a raw material introduction nozzle port 1 into which a raw material gas is introduced in a pulse shape by a piezo-driven pulse valve 3 in a vacuum chamber. By condensing and irradiating the carbon dioxide laser beam, the surface of the solid target substrate 5 is irradiated as a carbon atom beam having a translational energy of about 5 eV by dissociating and accelerating the gas molecules in an atomic form. .
The vacuum chamber is connected to a vacuum exhaust apparatus (not shown), and the inside of the chamber can be set to a pressure of 10 −3 Pa or less. Thereby, adhesion of impurities to the solid target substrate 5 can be prevented. In addition, since this film formation method forms a film by directly irradiating the surface of the solid target substrate 5 with a carbon atom beam, no carrier gas is required. This is also the reason why impurities do not adhere to the solid target substrate 5. Since there is no adhesion of impurities to the surface of the solid target substrate, the adhesion between the surface of the solid target substrate and the thin film to be formed is improved.
原子状ビーム発生機構は、図1の概略図に示すように、真空チャンバー内に原料ガスを導入する原料導入管2と、ノズル状の原料導入ノズル口1と、図示しない炭酸ガスレーザー発振装置と、炭酸ガスレーザー発振装置から発振された炭酸ガスレーザーを反射して、原料ガス導入口に集光する表面が金で覆われた凹面鏡4とで構成されている。凹面鏡4で炭酸ガスレーザーを反射させて、原料導入ノズル口1に炭酸ガスレーザーを集光させているのは、凹面鏡4の角度等を調整することで、炭酸ガスレーザーの発振位置に影響されることなく、炭酸ガスレーザーを原料導入口に集光することができるためである。このため、凹面鏡4を設けることで真空チャンバーの大きさを小さくすることできるのである。 As shown in the schematic diagram of FIG. 1, the atomic beam generating mechanism includes a raw material introduction pipe 2 for introducing a raw material gas into a vacuum chamber, a nozzle-shaped raw material introduction nozzle port 1, a carbon dioxide laser oscillation device (not shown), The carbon dioxide laser oscillated from the carbon dioxide laser oscillating device reflects the carbon dioxide laser and condenses it at the raw material gas inlet, and the concave mirror 4 is covered with gold. The reason why the carbon dioxide laser is reflected by the concave mirror 4 and focused on the raw material introduction nozzle port 1 is affected by the oscillation position of the carbon dioxide laser by adjusting the angle of the concave mirror 4 and the like. This is because the carbon dioxide laser can be focused on the raw material inlet without any problem. For this reason, the size of the vacuum chamber can be reduced by providing the concave mirror 4.
原子状ビーム発生機構は、レーザー推進の原理を応用しており、すなわち、パルス状の原料ガスを、原料導入管2を介して原料導入ノズル口1に導入し、それに同期して炭酸ガスレーザーを照射する。これにより、ノズル内で生じたブレークダウンからデトネーション波が伝播し、5eV程度の原子状ビームを生成するものである。本実施例においては、原料ガスにメタンガス(CH4)を用いて、炭素原子ビームを生成している。 The atomic beam generation mechanism applies the principle of laser propulsion, that is, a pulsed raw material gas is introduced into the raw material introduction nozzle port 1 through the raw material introduction tube 2, and a carbon dioxide gas laser is synchronized with it. Irradiate. As a result, a detonation wave propagates from the breakdown generated in the nozzle, and an atomic beam of about 5 eV is generated. In this embodiment, a carbon atom beam is generated by using methane gas (CH 4 ) as a source gas.
生成された炭素原子ビームは、原子間結合エネルギーに相当する並進エネルギー2〜5eV,フラックス1013-15 atoms/cm2sである。ここで、炭素原子ビームのフラックスはAg薄膜をコーティングした水晶振動子微小天秤6(Quartz Crystal Microbalance ; QCM)により、また炭素原子ビームの組成および並進運動エネルギーは四重極質量分析計7(Quadrupole Mass Spectrometer ; QMS)を検出器とした飛行時間スペクトルを用いて測定している。 The generated carbon atom beam has a translational energy of 2 to 5 eV corresponding to the interatomic bond energy and a flux of 10 13-15 atoms / cm 2 s. Here, the flux of the carbon atom beam is obtained by a quartz crystal microbalance (QCM) 6 coated with an Ag thin film, and the composition and translational kinetic energy of the carbon atom beam are obtained by a quadrupole mass spectrometer 7 (Quadrupole Mass Spectrometer). Measurement is performed using a time-of-flight spectrum using a spectrometer (QMS) as a detector.
本実施例では、固体ターゲット基板5に、RCA洗浄を施したシリコン基板 Si(100)を用いている。本レーザーデトネーション型原子状ビーム発生装置によって、生成された炭素原子ビームをシリコン基板に照射させることにより、シリコン基板上にDLC薄膜を成膜させることに成功したのである。
すなわち、シリコン基板上に炭素系薄膜の堆積を確認し、ラマン分光法による分析結果から、シリコン基板上の炭素系薄膜は、SP3結合を含む炭素原子を約58%含んでいるDLC薄膜であることを確認できたのである。
In this embodiment, a silicon substrate Si (100) subjected to RCA cleaning is used as the solid target substrate 5. This laser detonation type atomic beam generator succeeded in forming a DLC thin film on a silicon substrate by irradiating the silicon substrate with the generated carbon atom beam.
That is, the deposition of a carbon-based thin film on a silicon substrate was confirmed, and from the analysis results by Raman spectroscopy, the carbon-based thin film on the silicon substrate is a DLC thin film containing about 58% of carbon atoms containing SP 3 bonds. I was able to confirm that.
また、炭素系薄膜は、本装置内の凹面鏡4にも堆積するのであるが、この炭素系薄膜がDLC薄膜であるため、赤外線に対して透明(吸収しない)となり、凹面鏡の性能が低下せず、成膜反応が継続して進行できるという実用面での利点もある。 The carbon-based thin film is also deposited on the concave mirror 4 in the apparatus. However, since this carbon-based thin film is a DLC thin film, it is transparent (does not absorb) to infrared rays, and the performance of the concave mirror does not deteriorate. There is also a practical advantage that the film formation reaction can proceed continuously.
なお、シリコン基板上への炭素系薄膜形成における前処理方法において、シリコン基板上への薄膜の成膜前に、シリコン基板の表面への水素イオンの照射によるクリーニング処理などの前処理工程を行うことで、DLC薄膜とシリコン基板表面との密着性をさらに向上することが可能である。 In the pretreatment method for forming a carbon-based thin film on a silicon substrate, a pretreatment process such as a cleaning process by irradiation of hydrogen ions on the surface of the silicon substrate is performed before the thin film is formed on the silicon substrate. Thus, it is possible to further improve the adhesion between the DLC thin film and the silicon substrate surface.
以下では、炭素原子ビームの測定結果、炭素系薄膜の分析結果について詳述していくこととする。先ず、図1に示される装置を用いて生成した炭素原子ビームの組成ならびに飛行時間測定を行った結果を図2に示す。図2(a)は四重極質量分析計7の検出質量電荷比を16(CH4 +)に固定した場合の飛行時間スペクトルを示している。図2(a)の横軸の原点はパルスバルブのトリガーを基準としている。フライトタイム220μsに観察されるライン状のピークは、炭酸ガスレーザーの発光ピークであり、フライトタイムの測定基準点である。図2(a)には700μsと2000μsに2つのピークが存在することが理解できる。このうち、2000μsのピークはレーザーデトネーションによる加速を受けていない熱運動エネルギーを有する成分であり、700μsのものはレーザーにより加速された超熱分子線である。 Hereinafter, the measurement result of the carbon atom beam and the analysis result of the carbon-based thin film will be described in detail. First, FIG. 2 shows the result of measuring the composition and time-of-flight measurement of the carbon atom beam generated using the apparatus shown in FIG. FIG. 2 (a) shows a time-of-flight spectrum when the detected mass-to-charge ratio of the quadrupole mass spectrometer 7 is fixed at 16 (CH 4 + ). The origin of the horizontal axis in FIG. 2 (a) is based on the trigger of the pulse valve. The line-shaped peak observed at the flight time of 220 μs is the emission peak of the carbon dioxide laser, and is the measurement reference point for the flight time. In FIG. 2A, it can be understood that there are two peaks at 700 μs and 2000 μs. Among them, the peak of 2000 μs is a component having thermal kinetic energy not accelerated by laser detonation, and the peak of 700 μs is a superheated molecular beam accelerated by a laser.
四重極質量分析計を検出器とする飛行時間測定の場合、イオン源での分子の電子衝突によるイオン化率が飛行速度の逆数(イオン源内での滞在時間)に比例するため、補正を行う必要があり、この補正を行った結果を図2(b)に示す。この図2(b)のスペクトルはレーザーの照射時刻を原点とした飛行時間スペクトルである。図2(b)の飛行時間スペクトルのピークの面積比より、約80%のCH4がレーザーにより加速され、20%程度は加速されずに熱運動速度で飛来していることが理解できる。 In the case of time-of-flight measurement using a quadrupole mass spectrometer as a detector, the ionization rate due to electron collision of molecules at the ion source is proportional to the reciprocal of the flight speed (residence time in the ion source), so correction is necessary. FIG. 2B shows the result of this correction. The spectrum of FIG. 2B is a time-of-flight spectrum with the laser irradiation time as the origin. From the area ratio of the peak of the time-of-flight spectrum in FIG. 2 (b), it can be understood that about 80% of CH 4 is accelerated by the laser, and about 20% is not accelerated but flies at the thermal motion speed.
また,フライトタイムより超熱エネルギーを有するCH4の運動エネルギーは約2.8eVであることが計算できている。さらにQMSにおいて検出する分子の質量電荷比を m/e=1, 12, 13, 14, 15に設定して同様の測定を行い、飛行時間スペクトルの測定を行った。これらのスペクトルにおけるピーク面積比を比較することにより、ビーム組成を調べた。下記表1に、飛行時間スペクトルから測定されたCH4をソースガスとして利用した場合のビームコンポーネントの原子組成比を示す。各分子が検出器であるQMSの電子衝撃型イオン源によりイオン化される場合のイオン化確率の差異を考慮していないため、この値の精度は高いものではないが、ビームの約60%がCH4であり、約40%のCHxラジカルを含んでいることが示唆されていることが理解できよう。 In addition, it can be calculated that the kinetic energy of CH 4 which has superheat energy from the flight time is about 2.8 eV. Furthermore, the mass-to-charge ratio of the molecules detected by QMS was set to m / e = 1, 12, 13, 14, 15 and the same measurement was performed, and the time-of-flight spectrum was measured. The beam composition was examined by comparing the peak area ratios in these spectra. Table 1 below shows the atomic composition ratio of the beam component when CH 4 measured from the time-of-flight spectrum is used as the source gas. The accuracy of this value is not high because it does not take into account the difference in ionization probability when each molecule is ionized by the electron impact ion source of QMS, which is the detector, but about 60% of the beam is CH 4 It can be seen that it is suggested to contain about 40% CH x radicals.
一方、炭素原子ビームのフラックスは水晶振動子微小天秤の質量変化から見積もっている。図3は水晶振動子微小天秤6に炭素原子ビームを照射した際の水晶振動子の共振周波数変化を示している。図3の横軸は時間,縦軸は共振周波数変化である。ここで、共振周波数の減少は質量の増加(デポジション)を表している。図3において、80sでCH4の導入を開始し、100sで炭酸ガスレーザー照射を開始している。CH4だけを導入しても共振周波数には変化が生じない(薄膜の形成は行われない)が、炭酸ガスレーザーを同期させて照射し始めると、共振周波数が直線的に減少していることが示されている。これは一定のデポジションレートで炭素系薄膜が堆積していることを示すものである。この共振周波数の変化より、水晶振動子微小天秤6の上に蒸着した炭素系膜の質量を計算し、デポジションレートを算出したところ、単位面積,単位時間あたり、3.9×10-9g/cm2/sであると算定できている。 On the other hand, the flux of the carbon atom beam is estimated from the mass change of the quartz crystal microbalance. FIG. 3 shows a change in the resonance frequency of the crystal unit when the crystal unit microbalance 6 is irradiated with a carbon atom beam. In FIG. 3, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the change in resonance frequency. Here, the decrease in the resonance frequency represents an increase in mass (deposition). In FIG. 3, introduction of CH 4 is started at 80 s, and carbon dioxide laser irradiation is started at 100 s. Even if only CH 4 is introduced, the resonance frequency does not change (thin film is not formed), but when the CO2 laser is started to irradiate, the resonance frequency decreases linearly. It is shown. This indicates that the carbon-based thin film is deposited at a constant deposition rate. Based on this change in resonance frequency, the mass of the carbon-based film deposited on the quartz crystal microbalance 6 was calculated and the deposition rate was calculated. The unit area and unit time were 3.9 × 10 -9 g / cm. 2 / s can be calculated.
本実施例の方法で作製したDLC薄膜のX線光電子分光法(XPS)の広域スペクトルおよびC1s, O1s 高分解能スペクトルを図4(a)〜(c)に示す。図4(d)〜(f)には比較のために同一条件で測定したプラズマCVD法により作製された市販の水素化DLCの分析結果を示している。 4A to 4C show the broad spectrum and C1s, O1s high-resolution spectrum of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the DLC thin film prepared by the method of this example. For comparison, FIGS. 4D to 4F show the analysis results of a commercially available hydrogenated DLC produced by the plasma CVD method measured under the same conditions.
図4(a)の広域スペクトルより本発明に係るDLC薄膜の作製方法で成膜した薄膜の表面組成は炭素が92%,酸素が8%であり、XPS測定前に一旦大気曝露していること、及びXPS測定前にスパッタクリーニングを施していないことを勘案すると不純物が少ないことが理解できる。プラズマCVD法により作製された市販の水素化DLCと比較しても表面組成はほぼ同様であり、組成としては市販の水素化DLCと遜色のないことが理解できる。 From the broad spectrum shown in Fig. 4 (a), the surface composition of the thin film formed by the DLC thin film manufacturing method according to the present invention is 92% carbon and 8% oxygen, and is exposed to the atmosphere before XPS measurement. And it can be understood that there are few impurities when the sputter cleaning is not performed before the XPS measurement. Compared with commercially available hydrogenated DLC produced by the plasma CVD method, the surface composition is almost the same, and it can be understood that the composition is comparable to commercially available hydrogenated DLC.
図4(b), (c)にはC1sおよびO1sの高分解能スペクトルを示している。どちらのスペクトルも単一のピークから形成されており、C=Cなどの結合がほとんど含まれていないことが理解できる。市販の水素化DLCの高分解能スペクトル(図4(e), (f))と比較すると、ピーク形状はほぼ同様であるが、C1sのピーク位置が図4(b)では285.3 eV, 図4(e)では284.4 eVと、本発明に係るDLC薄膜の作製方法で成膜した炭素系薄膜の方が約0.9 eV高エネルギー側にシフトしている。O1s についても比較を行うと、図4(c) の方が0.6 eVほどシフトしていることから、基本的にはこのピーク位置の差異は表面のチャージアップに起因するものであり、炭素の結合性の差異による可能性は小さいと考えられる。従って、XPSからは本発明に係るDLC薄膜の作製方法で成膜したDLC薄膜はプラズマCVD法により作製された市販のDLCと同様の組成を有すると言えよう。 FIGS. 4B and 4C show high-resolution spectra of C1s and O1s. It can be understood that both spectra are formed from a single peak and contain almost no bonds such as C = C. Compared with the high-resolution spectrum of commercially available hydrogenated DLC (Fig. 4 (e), (f)), the peak shape is almost the same, but the peak position of C1s is 285.3 eV, Fig. 4 (b) in Fig. 4 (b). In e), the carbon-based thin film formed by the method for producing a DLC thin film according to the present invention is 284.4 eV, which is shifted to the higher energy side by about 0.9 eV. When comparing O1s as well, the difference in peak position is basically due to the surface charge-up because the shift in Fig. 4 (c) is about 0.6 eV. The possibility of gender differences is small. Therefore, it can be said from XPS that the DLC thin film formed by the method for producing a DLC thin film according to the present invention has the same composition as a commercially available DLC produced by the plasma CVD method.
次に、本発明に係るDLC薄膜の作製方法で成膜した薄膜について、炭素の結合状態を明らかにするためラマン散乱測定を行った。図5はラマン散乱測定を行った結果のRamanスペクトルを示している。アモルファスカーボンを特徴付けるブロードピークが観察され、グラファイト構造を示すG−band (1519 cm-1)の他に結晶構造の不規則性を表すD−band (1319 cm-1)が共存している典型的なDLCのRamanスペクトルが示されている。
G−bandとD−bandのピークポジション,ピーク面積を下表2に示す。
Next, Raman scattering measurement was performed on the thin film formed by the method for producing a DLC thin film according to the present invention in order to clarify the bonding state of carbon. FIG. 5 shows a Raman spectrum as a result of the Raman scattering measurement. A broad peak that characterizes amorphous carbon is observed, and a typical D-band (1319 cm -1 ), which indicates irregularities in the crystal structure, coexists in addition to a G-band (1519 cm -1 ) that exhibits a graphite structure. A DLC Raman spectrum is shown.
The peak position and peak area of G-band and D-band are shown in Table 2 below.
D−bandとG−bandの面積強度比は0.45と計算されている。RobertsonによるとG−bandとD−bandのピーク面積強度比とDLC膜内のsp3構造の割合とは図6に示すような相関関係があることが報告されている。ここで,図6の横軸はsp3構造の割合,縦軸はG−bandのピーク位置および面積強度比を表している。本発明に係るDLC薄膜の作製方法で成膜した薄膜の値はそれぞれピーク位置1519cm-1, I(D)/I(G)=0.45であることから、sp3の割合は約58%と推測している。 The area intensity ratio of D-band and G-band is calculated to be 0.45. According to Robertson, it is reported that there is a correlation as shown in FIG. 6 between the peak area intensity ratio of G-band and D-band and the proportion of sp 3 structure in the DLC film. Here, the horizontal axis in FIG. 6 represents the proportion of the sp 3 structure, and the vertical axis represents the G-band peak position and the area intensity ratio. Since the values of the thin films formed by the DLC thin film manufacturing method according to the present invention are respectively the peak position 1519 cm −1 and I (D) / I (G) = 0.45, the ratio of sp 3 is estimated to be about 58%. is doing.
一方,レーザーデトネーションで作成した薄膜の表面構造を明らかにするため、原子間力顕微鏡(AFM)での観察を行った。図7にトポグラフ像と位相像を示す。図7に示すトポグラフ像より本実施例で作製した薄膜は、マイクロスコピックには完全に一様なlayer-by-layer成長をしているわけではなく、アイランド成長をしていることがわかる。このことはデポジションした炭素間の結合よりも基板と表面第1層の炭素との結合力が小さい(表面拡散が生じやすい)ことを示唆している。 On the other hand, in order to clarify the surface structure of the thin film prepared by laser detonation, we observed it with an atomic force microscope (AFM). FIG. 7 shows a topographic image and a phase image. From the topographic image shown in FIG. 7, it can be seen that the thin film produced in this example does not have a completely uniform layer-by-layer growth in the microscopic manner but an island growth. This suggests that the bonding force between the substrate and the first surface layer carbon is smaller than the bonding between the deposited carbons (surface diffusion is likely to occur).
図7のトポグラフ像と位相像の断面形状を図8に示す。これより,図7の谷の部分はフラットな形状であり、山の部分は中央部が盛り上がった形状であることがわかる。また,位相像より炭素系薄膜の堆積位置では位相遅れが小さいことがわかる。AFMタッピングモードにおける位相遅れの減少は、堆積された薄膜の硬度が高いか、あるいは表面相互作用力(凝着力)が小さいことを示唆している。これらの特徴はDLCの典型的な特徴であり、本発明に係るDLC薄膜の作製方法により、シリコン基板上にDLC薄膜の形成が行われたことが理解できよう。 FIG. 8 shows cross-sectional shapes of the topographic image and the phase image in FIG. From this, it can be seen that the valley portion in FIG. 7 has a flat shape, and the mountain portion has a shape in which the central portion is raised. The phase image shows that the phase lag is small at the carbon-based thin film deposition position. The decrease in phase lag in the AFM tapping mode suggests that the deposited thin film has a high hardness or a small surface interaction force (adhesion force). These characteristics are typical characteristics of DLC, and it can be understood that the DLC thin film was formed on the silicon substrate by the DLC thin film manufacturing method according to the present invention.
本発明に係るダイヤモンドライクカーボン薄膜の作製方法を用いることで、気相からDLC薄膜を作製することが可能であり、従来の固体ターゲットで問題なったドロップレットの回避やプラズマ法で問題となる荷電粒子によるダメージのない膜質に優れたDLC薄膜を作成できるため、半導体基板のDLC膜のコーティング等のDLC膜質が重要視される分野に利用できる。 By using the method for producing a diamond-like carbon thin film according to the present invention, it is possible to produce a DLC thin film from the gas phase, avoiding droplets that are problematic in conventional solid targets, and charging that is problematic in the plasma method. Since a DLC thin film excellent in film quality free from damage by particles can be produced, it can be used in fields where DLC film quality such as coating of DLC film on a semiconductor substrate is regarded as important.
1 原料導入ノズル口
2 原料導入管
3 パルスバルブ
4 凹面鏡
5 固体ターゲット基板
6 水晶振動子微小天秤(Quartz Crystal Microbalance ; QCM)
7 四重極質量分析計(Quadrupole Mass Spectrometer ; QMS)
8 オリフィス
1 Raw material introduction nozzle port
2 Raw material introduction pipe 3 Pulse valve
4 concave mirror
5 Solid target substrate 6 Quartz Crystal Microbalance (QCM)
7 Quadrupole Mass Spectrometer (QMS)
8 Orifice
Claims (6)
The diamond-like carbon thin film according to any one of claims 1 to 4, wherein the solid target is any one selected from glass, quartz, metal, plastic film, and polymer fiber. Method.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100977171B1 (en) * | 2008-04-25 | 2010-08-20 | 한국기초과학지원연구원 | Method for growing a thin film diamond with carbon atomic beams |
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- 2005-04-27 JP JP2005128844A patent/JP2006307251A/en active Pending
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