JP2010053380A - Method of depositing amorphous silicon carbide film - Google Patents

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Haruhiko Ito
治彦 伊藤
Akio Shinohara
章郎 篠原
Hidetoshi Saito
秀俊 齋藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of efficiently and inexpensively depositing an amorphous silicon carbide (a-SiC<SB>x</SB>:H) film having the hardness necessary for a coating material of a cutting tool or the like by a simple process. <P>SOLUTION: When depositing an amorphous silicon carbide film on a substrate by using raw material gas containing silicon compounds by a microwave plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method, negative high frequency bias voltage (-V<SB>RF</SB>) is continuously applied to the substrate. Preferably, the output of the microwave is 50-120 W, and the negative high frequency bias voltage (-V<SB>RF</SB>) satisfies inequalities 60 V<-V<SB>RF</SB><120 V. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、切削工具、金型、耐摩耗部品、光ディスクや磁気ディスクのような記憶媒体の保護膜等に用いられる、硬質薄膜材料の一つであるアモルファス炭化ケイ素(a−SiC:H)膜の形成方法に関する。 The present invention relates to amorphous silicon carbide (a-SiC x : H) which is one of hard thin film materials used for cutting tools, dies, wear-resistant parts, protective films for storage media such as optical disks and magnetic disks, and the like. The present invention relates to a film forming method.

現在、切削工具等のコーティング材料としては、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)と呼ばれる硬質炭素材料が広く用いられている。しかしながら、DLC膜は硬質であることの裏返しとして膜の内部応力が高く、基材との密着性が低くなり膜の剥離が発生し易く、また必要な膜厚を有する均一な被膜を形成することが困難であるという問題点がある。 Currently, a hard carbon material called diamond-like carbon (DLC) is widely used as a coating material for cutting tools and the like. However, as a reverse of the fact that the DLC film is hard, the internal stress of the film is high, the adhesion to the base material is low, the film is easily peeled off, and a uniform film having the required film thickness is formed. There is a problem that it is difficult.

このような問題点を解消するために、基材表面に炭化珪素膜等の中間層を形成した後に、DLC膜を形成した積層材料が種々提案されている。(例えば、特許文献1、2参照)
特開2001−214269号公報 特開2000−176705号公報
In order to solve such problems, various laminated materials in which a DLC film is formed after an intermediate layer such as a silicon carbide film is formed on the surface of a substrate have been proposed. (For example, see Patent Documents 1 and 2)
JP 2001-214269 A JP 2000-176705 A

しかしながら、このような積層材料を作成するには複雑な工程を採用することが必要となり、製造コストが高くなるという欠点がある。
一方、結晶性或いはアモルファス炭化ケイ素により構成された硬質膜も知られているが、その硬度は10−30GPa程度であり、切削工具等のコーティング材料として使用するには不充分なものであった。
However, in order to produce such a laminated material, it is necessary to employ a complicated process, and there is a drawback that the manufacturing cost increases.
On the other hand, a hard film made of crystalline or amorphous silicon carbide is also known, but its hardness is about 10-30 GPa, which is insufficient for use as a coating material for cutting tools and the like.

本発明は、このような現状に鑑み、切削工具等のコーティング材料として必要な硬度を有するアモルファス炭化ケイ素(a−SiC:H)膜を、簡単な工程で効率良く低コストで形成する方法を提供することを目的とする。 In view of such a current situation, the present invention provides a method for efficiently and inexpensively forming an amorphous silicon carbide (a-SiC x : H) film having a hardness required as a coating material for a cutting tool or the like by a simple process. The purpose is to provide.

本発明では、上記課題を解決するために次の1〜7の構成を採用する。
1.マイクロ波プラズマCVD法によりケイ素化合物を含む原料ガスを用いて基板上にアモルファス炭化ケイ素膜を形成する際に、基板に負の高周波バイアス電圧(−VRF)を連続的に印加することを特徴とするアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。
2.マイクロ波の出力が50−120Wで、負の高周波バイアス電圧(−VRF)が60V<−VRF<120Vであることを特徴とする1に記載のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。
3.原料ガスとしてテトラメチルシランとアルゴンを、テトラメチルシラン/アルゴン=0.001〜0.1の割合で含むガスを用いることを特徴とする1又は2に記載のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。
4.原料ガスとして予め脱水処理をした原料ガスを用いることを特徴とする1〜3のいずれかに記載のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。
5.アモルファス炭化ケイ素膜の硬度が30−70GPaであることを特徴とする1〜4のいずれかに記載のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。
6.アモルファス炭化ケイ素膜のケイ素に対する炭素の原子比[C]/[Si]が1.1−1.8であることを特徴とする1〜5のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。
7.基板がシリコン、炭化ケイ素、窒化ケイ素から選択された表面を有するものであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。
In this invention, in order to solve the said subject, the structure of the following 1-7 is employ | adopted.
1. When an amorphous silicon carbide film is formed on a substrate using a source gas containing a silicon compound by a microwave plasma CVD method, a negative high-frequency bias voltage (−V RF ) is continuously applied to the substrate. A method for forming an amorphous silicon carbide film.
2. 2. The method of forming an amorphous silicon carbide film according to 1, wherein the microwave output is 50 to 120 W and the negative high-frequency bias voltage (−V RF ) is 60 V <−V RF <120 V.
3. 3. The method for forming an amorphous silicon carbide film according to 1 or 2, wherein a gas containing tetramethylsilane and argon at a ratio of tetramethylsilane / argon = 0.001 to 0.1 is used as a source gas.
4). 4. The method for forming an amorphous silicon carbide film according to any one of 1 to 3, wherein a raw material gas that has been dehydrated in advance is used as the raw material gas.
5). The method for forming an amorphous silicon carbide film according to any one of 1 to 4, wherein the amorphous silicon carbide film has a hardness of 30 to 70 GPa.
6). The method for forming a hard carbon nitride film according to any one of 1 to 5, wherein the atomic ratio [C] / [Si] of carbon to silicon of the amorphous silicon carbide film is 1.1 to 1.8.
7). The method for forming an amorphous silicon carbide film according to claim 1, wherein the substrate has a surface selected from silicon, silicon carbide, and silicon nitride.

本発明によれば、従来技術では形成することが極めて困難であった、切削工具等のコーティング材料として充分な硬度を有するアモルファス炭化ケイ素膜を、簡単な装置を用いて一工程で効率良く低コストで形成することが可能となる。本発明は、大規模で高価な設備を必要とせずに、基板上に硬度が高く表面が平滑で均質なアモルファス炭化ケイ素膜を効率良く形成することを可能とするものであり、実用的価値が極めて高いものである。   According to the present invention, an amorphous silicon carbide film having a hardness sufficient as a coating material for a cutting tool or the like, which has been extremely difficult to form with the prior art, can be efficiently produced at a low cost using a simple apparatus. Can be formed. The present invention makes it possible to efficiently form an amorphous silicon carbide film having a high hardness, a smooth surface and a uniform surface on a substrate without requiring large-scale and expensive equipment, and has practical value. It is extremely expensive.

本発明では、マイクロ波プラズマCVD法によりケイ素化合物を含む原料ガスを用いて基板上にアモルファス炭化ケイ素膜を形成する際に、基板に負の高周波バイアス電圧(−VRF)を連続的に印加することにより、アモルファス炭化ケイ素膜を1工程で形成する。
マイクロ波の周波数は、例えば2.45GHzとすることが好ましく、出力は50−120W程度とすることが好ましい。また、基板に印加する負の高周波バイアス電圧(−VRF)は60V<−VRF<120V程度とすることが好ましい。
In the present invention, when an amorphous silicon carbide film is formed on a substrate using a source gas containing a silicon compound by a microwave plasma CVD method, a negative high-frequency bias voltage (−V RF ) is continuously applied to the substrate. Thus, an amorphous silicon carbide film is formed in one step.
The microwave frequency is preferably 2.45 GHz, for example, and the output is preferably about 50-120 W. The negative high-frequency bias voltage (−V RF ) applied to the substrate is preferably about 60V <−V RF <120V.

原料ガスとなる好ましいケイ素化合物としては、例えばテトラメチルシラン(TMS)、トリメチルシラン、ジメチルシラン、等が挙げられる。ケイ素化合物は、アルゴン、ヘリウム、窒素等の不活性ガスと混合し、原料ガスとして用いられるが、ケイ素化合物と不活性ガスの混合割合は、体積比でケイ素化合物/不活性ガス=0.001〜0.1程度とすることが好ましい。
特に好ましい原料ガスとしては、テトラメチルシランとアルゴンを、テトラメチルシラン/アルゴン=0.001〜0.1の割合で含むガスが挙げられる。
Preferable silicon compounds used as the source gas include, for example, tetramethylsilane (TMS), trimethylsilane, dimethylsilane, and the like. The silicon compound is mixed with an inert gas such as argon, helium, nitrogen, etc., and used as a raw material gas. The mixing ratio of the silicon compound and the inert gas is silicon compound / inert gas = 0.001 to 0.001 by volume ratio. It is preferably about 0.1.
As a particularly preferable raw material gas, a gas containing tetramethylsilane and argon in a ratio of tetramethylsilane / argon = 0.001 to 0.1 can be given.

原料ガスは、反応装置に導入する前に、五酸化燐等の脱水剤により脱水処理をすることが好ましい。脱水処理をした原料ガスを用いることによって、より硬度の優れたアモルファス炭化ケイ素を得ることが可能となる。   The raw material gas is preferably dehydrated with a dehydrating agent such as phosphorus pentoxide before being introduced into the reactor. By using the raw material gas subjected to dehydration treatment, it is possible to obtain amorphous silicon carbide having higher hardness.

本発明でアモルファス炭化ケイ素膜を形成する基板としては特に制限はないが、シリコン、炭化ケイ素、窒化ケイ素から選択された表面を有するものを用いることが好ましい。これらの基板としては、上記材料により構成された単独の材料からなる基板だけではなく、他の基材の表面に上記材料により構成された被膜を有する複合材料を用いることもできる。   Although there is no restriction | limiting in particular as a board | substrate which forms an amorphous silicon carbide film by this invention, It is preferable to use what has the surface selected from silicon, silicon carbide, and silicon nitride. As these substrates, not only a substrate composed of a single material composed of the above materials but also a composite material having a coating composed of the above materials on the surface of another base material can be used.

本発明によれば、アモルファス炭化ケイ素膜の硬度が30−70GPaと、従来の結晶性或いはアモルファス炭化ケイ素により構成された硬質膜では実現することができなかった、硬質のアモルファス炭化ケイ素膜を得ることができる。本発明により得られるアモルファス炭化ケイ素膜のケイ素に対する炭素の原子比[C]/[Si]は1.1−1.8程度であると思われる。   According to the present invention, the hardness of an amorphous silicon carbide film is 30-70 GPa, and a hard amorphous silicon carbide film that cannot be realized with a conventional hard film composed of crystalline or amorphous silicon carbide is obtained. Can do. The atomic ratio [C] / [Si] of carbon to silicon of the amorphous silicon carbide film obtained by the present invention is considered to be about 1.1-1.8.

つぎに、図面を参照しながら本発明の実施例について説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。
図1は、本発明のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法に用いられる装置の1例を示す模式図である。この装置は、ステンレス製の真空容器1とそれに付随する配管2,3、真空ポンプ(図示せず)、マイクロ波放電部分4,5,6、高周波バイアス印加部分7,8,9,10から構成される。
Next, examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following specific examples do not limit the present invention.
FIG. 1 is a schematic view showing an example of an apparatus used in the method for forming an amorphous silicon carbide film of the present invention. This apparatus comprises a stainless steel vacuum vessel 1 and pipes 2 and 3 associated therewith, a vacuum pump (not shown), microwave discharge portions 4, 5 and 6, and high frequency bias applying portions 7, 8, 9 and 10. Is done.

真空反応容器1は、メカニカルブースターポンプ(排気速度110m/h)及び油回転真空ポンプ(排気速度600l/min)によって直列に接続され、到達真空度は1mTorr(0.13Pa)以下である。真空反応容器1の上部には、パイレックス(登録商標)ガラス製の放電管2が取り付けられている。反応容器側壁にはパイレックス(登録商標)ガラスジョイントを介して、ステンレス製のノズル(内径1mmφ)13が設置されている。放電管2の先端とノズル13の先端との間の距離は、4mmとした。さらに、ノズル先端13の11mm下流側に基板ステージ11を設置した。基板ステージ11は、排気用の穴を開けた仕切り板18によって支えられている。基板ステージ11は真空反応容器1と電気的に絶縁されており、そこに13.56MHzの高周波電源7及びマッチングボックス8を介して高周波電圧を印加できるようにしている。高周波電圧を印加すると、基板ステージ11には負の自己バイアス−VRFが発生する。フィルター回路9を通してデジタルマルチメータ10で直流成分を読み取って−VRFとした。 The vacuum reaction vessel 1 is connected in series by a mechanical booster pump (pumping speed 110 m 3 / h) and an oil rotary vacuum pump (pumping speed 600 l / min), and the ultimate vacuum is 1 mTorr (0.13 Pa) or less. A discharge tube 2 made of Pyrex (registered trademark) glass is attached to the upper part of the vacuum reaction vessel 1. A stainless steel nozzle (inner diameter 1 mmφ) 13 is installed on the side wall of the reaction vessel via a Pyrex (registered trademark) glass joint. The distance between the tip of the discharge tube 2 and the tip of the nozzle 13 was 4 mm. Further, the substrate stage 11 was installed 11 mm downstream of the nozzle tip 13. The substrate stage 11 is supported by a partition plate 18 having an exhaust hole. The substrate stage 11 is electrically insulated from the vacuum reaction vessel 1 so that a high frequency voltage can be applied thereto via a 13.56 MHz high frequency power source 7 and a matching box 8. When a high frequency voltage is applied, a negative self-bias −V RF is generated in the substrate stage 11. The direct current component was read by the digital multimeter 10 through the filter circuit 9 to obtain −V RF .

放電管2内にアルゴンガスを流し、電源4、マグネトロン5及び導波管6を組合わせた放電装置でマイクロ波放電を行った。マイクロ波の周波数は2.45GHz、出力は100Wであった。真空容器1内におけるArガスの圧力は0.1Torr(13Pa)であった。ノズル13を通してArガスの約1/20(体積比)のテトラメチルシラン(以下、TMSと略記する)の蒸気を導入した。TMS蒸気の圧力はArに比べて非常に低いため、真空反応容器1内での正確な測定は不可能であったが、5mTorr(0.6Pa)以下である。Arガス及びTMSはいずれもニードルバルブ(図示せず)をもちいて圧力を調整した。また、Ar及びTMSを導入する配管(それぞれ14及び3)内に吸着した水分が反応領域に混入するのを防ぐために、Ar及びTMSはそれぞれの配管の途中に設置した脱水剤(P)を充填したガラスセル15,16を通した。10mm×10mmの大きさに切り出した単結晶Si基板12を基板ステージ11に乗せ、薄膜の形成を行った。高周波電源7の出力を適当に設定することにより、−VRFを0から120Vまで変化させた。基板ステージ11内部には配管17を通して冷却水を循環させた。堆積時間は30分とし、膜厚は1−5μmの範囲であった。 Argon gas was allowed to flow through the discharge tube 2, and microwave discharge was performed with a discharge device in which the power source 4, the magnetron 5, and the waveguide 6 were combined. The frequency of the microwave was 2.45 GHz, and the output was 100 W. The pressure of Ar gas in the vacuum vessel 1 was 0.1 Torr (13 Pa). Through the nozzle 13, a vapor of tetramethylsilane (hereinafter abbreviated as TMS), about 1/20 (volume ratio) of Ar gas, was introduced. Since the pressure of TMS vapor is much lower than that of Ar, accurate measurement in the vacuum reaction vessel 1 was impossible, but it was 5 mTorr (0.6 Pa) or less. Both Ar gas and TMS adjusted the pressure using a needle valve (not shown). Further, in order to prevent moisture adsorbed in the pipes (14 and 3 respectively) for introducing Ar and TMS from entering the reaction region, Ar and TMS are dehydrating agents (P 2 O 5 ) installed in the middle of the pipes. ) Was passed through the glass cells 15 and 16. A single crystal Si substrate 12 cut out to a size of 10 mm × 10 mm was placed on the substrate stage 11 to form a thin film. By appropriately setting the output of the high-frequency power source 7, -V RF was changed from 0 to 120V. Cooling water was circulated through the pipe 17 inside the substrate stage 11. The deposition time was 30 minutes and the film thickness was in the range of 1-5 μm.

得られた各薄膜についてX線回折を行ったところ、いずれの薄膜においても明確な回折を示さなかったことから、アモルファスであると判定した。
また、定法により日本電子社製JPS−9010を使用してX線光電子分光法(XPS)により元素分析を行った結果、153eV及び285eVにそれぞれSi2p、C1sの信号が現れた。−VRF=0Vで形成した薄膜のXPSスペクトルを図2に示す。
また、−VRF=0V及び100Vで形成した薄膜について、XPSの計測を行った結果を表1に示す。
When X-ray diffraction was performed on each of the obtained thin films, no clear diffraction was shown in any of the thin films, so that it was determined to be amorphous.
Further, as a result of elemental analysis by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) using JPS-9010 manufactured by JEOL Ltd., signals of Si2p and C1s appeared at 153 eV and 285 eV, respectively. The XPS spectrum of thin film formed by -V RF = 0V is shown in FIG.
Table 1 shows the results of XPS measurement for thin films formed at −V RF = 0V and 100V.

Figure 2010053380
Figure 2010053380

この計測の際には、装置に付属したArエッチング装置を作動させることにより、薄膜の表面がArイオンによりエッチングされて薄膜の組成が変化する。したがって、表1にはArイオンによるエッチングを行う前と後の測定値を記載した。なお、−VRF=0Vは、基板に負の高周波バイアス電圧を印加していない対照例である。
元素分析の結果、アモルファス炭化ケイ素(a−SiC:H)膜のxの値は1.06−1.73の範囲にあった。−VRF= 100Vのxの値は−VRF= 0Vの値に比べてやや大きい結果となった。Arイオンによるエッチングの前後でxは減少する傾向にあったが、減少の大きさは−VRF= 0Vの場合には0.26であったのに対し、−VRF= 100Vでは0.47と大きな値を示した。このことから、−VRF= 100Vでは−VRF= 0Vに比べ、膜表面近傍にC原子の割合が高い層が形成されることが示唆された。
In this measurement, by operating an Ar etching apparatus attached to the apparatus, the surface of the thin film is etched by Ar + ions, and the composition of the thin film changes. Therefore, Table 1 shows the measured values before and after etching with Ar + ions. Note that −V RF = 0V is a control example in which a negative high-frequency bias voltage is not applied to the substrate.
As a result of elemental analysis, the value of x in the amorphous silicon carbide (a-SiC x : H) film was in the range of 1.06-1.73. The value of x -V RF = 100 V is resulted slightly larger than the value of -V RF = 0V. X tended to decrease before and after etching with Ar ions, but the magnitude of the decrease was 0.26 when −V RF = 0V, whereas 0.47 when −V RF = 100V. And showed a large value. From this, it was suggested that a layer having a higher C atom ratio was formed near the film surface at −V RF = 100 V than at −V RF = 0V.

−VRF=0V,50V及び100Vで形成した薄膜について、超微小押し込み硬さ測定器(Fisher H−100)を用いて膜の硬度を測定した結果を図3に示す。この測定では、Berkovitch圧子を用い、最大で7mNの荷重をかけて、最大の押し込み深さから膜硬度を決定した。
図3中,(a)、(b)、(c)はそれぞれ−VRF= 0,50,100Vに対応する。□が荷重を増加させたとき(荷重曲線)、◇が荷重を減少させたとき(除荷曲線)に対応する。最大押し込み深さは(a)409nm,(b)112nm,(c)62nm,であった。これらの値を膜硬度に換算すると(a)1.6GPa,(b)21GPa,(c)69GPaであった。単結晶のSiCの硬度は20−25GPaとされているので、本発明の(c)で得られた硬度はこれを遥かに上回っている。この原因については検討中であるが、元素分析の結果等を考慮すると、高周波バイアスを印加した条件下で作成されたa−SiC:H薄膜は、表面近傍に結晶性は示さないもののC原子を多く含む層が形成されて、本来のSiCよりも高い硬度を示したと推定される。
FIG. 3 shows the results of measuring the hardness of the thin film formed at −V RF = 0V, 50V and 100V using an ultra-fine indentation hardness measuring instrument (Fisher H-100). In this measurement, the film hardness was determined from the maximum indentation depth using a Berkovitch indenter and applying a maximum load of 7 mN.
In FIG. 3, (a), (b), and (c) correspond to −V RF = 0, 50, and 100 V, respectively. □ corresponds to when the load is increased (load curve), ◇ corresponds to when the load is decreased (unloading curve). The maximum indentation depth was (a) 409 nm, (b) 112 nm, and (c) 62 nm. When these values were converted into film hardness, they were (a) 1.6 GPa, (b) 21 GPa, and (c) 69 GPa. Since the hardness of the single crystal SiC is 20-25 GPa, the hardness obtained in (c) of the present invention is much higher than this. The cause of this is under investigation, but considering the results of elemental analysis and the like, the a-SiC x : H thin film prepared under the condition of applying a high-frequency bias does not show crystallinity in the vicinity of the surface, but C atoms It is presumed that a layer containing a large amount of Si was formed and the hardness was higher than that of the original SiC.

−VRF=0V,20V,40V,60V,80V,100V及び120Vで形成したa−SiC:H薄膜について、印加した負の高周波バイアス電圧と膜硬度の関係を図4に示した。図4の横軸は−VRF値(V)、縦軸は膜硬度(GPa)を示す。図4によれば、−VRFが60V以下では最大硬度は結晶のSiCと同程度であるが、−VRFが80Vを超えると、硬度のばらつきが大きくなり、特に最大硬度の値が極端に大きくなる結果が得られた。さらに−VRF= 120Vでは硬度の値が小さくなった。
このことから、本発明をコーティング技術として応用する場合には、基板に印加する負の高周波バイアス電圧(−VRF)は60V<−VRF<120V程度とすることが好ましく、−VRF=100V程度とすることが特に好ましい。
FIG. 4 shows the relationship between applied negative high-frequency bias voltage and film hardness for a-SiC x : H thin films formed at −V RF = 0V, 20V, 40V, 60V, 80V, 100V and 120V. The horizontal axis of FIG. 4 indicates −V RF value (V), and the vertical axis indicates film hardness (GPa). According to FIG. 4, when -V RF is 60 V or less, the maximum hardness is about the same as that of crystalline SiC. However, when -V RF exceeds 80 V, the variation in hardness increases, and the value of the maximum hardness is extremely large. A bigger result was obtained. Furthermore, the hardness value decreased at −V RF = 120V.
Therefore, when the present invention is applied as a coating technique, the negative high-frequency bias voltage (−V RF ) applied to the substrate is preferably about 60 V <−V RF <120 V, and −V RF = 100 V It is particularly preferable to set the degree.

本発明で得られた薄膜について、赤外吸収スペクトルの測定例を図5示す。図5中、(a)、(b)、(c)はそれぞれ−VRF=0,50,100Vに対応する薄膜のスペクトルである。
各スペクトルにおいて、670−760cm−1にSi−C伸縮振動、1000cm−1付近にSi−CH及びSi−(CH−Siの構造に由来するCH変角振動、1250cm−1付近にSi−CH対象変角振動、2100cm−1にSi−H伸縮振動、2700−3000cm−1にC−H伸縮振動が観測された。−VRFが増加するにつれ、Si−CH、Si−(CH−Si、Si−H及びC−Hの振動モードは、強度が減少した。このことは、高周波バイアス電圧を印加すると基板ステージに負の直流成分(−VRF)が現れ、Arイオンが引き寄せられて膜表面をイオン衝撃することにより、水素原子が脱離することを示唆している。このことが引き金になって結合の改質が起こり、膜の硬質化が誘起されると考えられる。また、赤外スペクトルではOH基の伸縮振動(3500cm−1)が観測されなかったため、Pによる脱水が有効に働いていることが確認された。
FIG. 5 shows a measurement example of the infrared absorption spectrum of the thin film obtained in the present invention. In FIG. 5, (a), (b), and (c) are thin film spectra corresponding to −V RF = 0, 50, and 100 V, respectively.
In each spectrum, Si-C stretching vibration 670-760cm -1, CH deformation vibration derived from Si-CH 3 and Si- (CH 2) n structure -Si around 1000 cm -1, around 1250 cm -1 Si-CH 3 target bending vibration, Si-H stretching vibration 2100 cm -1, CH stretching vibration was observed at 2700-3000cm -1. -V As RF is increased, Si-CH 3, Si- ( CH 2) n oscillation modes -Si, Si-H and CH, the intensity decreased. This suggests that when a high-frequency bias voltage is applied, a negative direct current component (-V RF ) appears on the substrate stage, and Ar + ions are attracted and ion bombards the film surface, thereby desorbing hydrogen atoms. is doing. This triggers the modification of the bond, which is considered to induce hardening of the film. Further, since the infrared spectrum was not observed stretching vibration of OH groups (3500 cm -1), it was confirmed that the dehydration by P 2 O 5 is working effectively.

これらの薄膜について測定した、ラマン散乱スペクトルの結果を図6に示す。図6中、(a)、(b)、(c)はそれぞれ−VRF= 0,50,100Vに対応する薄膜のスペクトルである。
基板に負の高周波バイアス電圧を印加していない(a)ではラマン散乱による信号は検出されず、蛍光に由来するバックグラウンドのみが観測された。このことは、高周波バイアス電圧を印加してイオン衝撃を行わない場合には、膜の化学構造が主に一次元的な共役系を形成し水素終端構造を多く含むことを示唆している。一方、(b)、(c)では共役系に由来するバックグラウンドは消失し、代わって1450cm−1付近にグラファイト構造に由来するGバンドが観測された。通常、炭素材料のGバンドの波数は1550cm−1付近に現れるので、本発明で観測されたラマン散乱信号の低波数側へのずれは、グラファイト構造の炭素原子の一部がSi原子で置換され、換算質量が大きくなったためであると推定される。観測された(a)から(b)、(c)への変化は、膜表面のイオン衝撃によって水素原子が脱離し、1次元的な構造から2次元的な構造へと結合改質が生じたことを意味しており、図5の赤外吸収スペクトルの結果と整合する。
The results of Raman scattering spectra measured for these thin films are shown in FIG. In FIG. 6, (a), (b), and (c) are the thin film spectra corresponding to −V RF = 0, 50, and 100 V, respectively.
In (a) where no negative high-frequency bias voltage was applied to the substrate, no signal due to Raman scattering was detected, and only a background derived from fluorescence was observed. This suggests that when a high-frequency bias voltage is applied and ion bombardment is not performed, the chemical structure of the film mainly forms a one-dimensional conjugated system and includes many hydrogen termination structures. On the other hand, in (b) and (c), the background derived from the conjugated system disappeared, and instead, a G band derived from the graphite structure was observed in the vicinity of 1450 cm −1 . Usually, since the wave number of the G band of the carbon material appears in the vicinity of 1550 cm −1 , the shift to the low wave number side of the Raman scattering signal observed in the present invention is that some of the carbon atoms in the graphite structure are replaced with Si atoms. It is estimated that this is because the converted mass has increased. The observed changes from (a) to (b) and (c) resulted in bond modification from a one-dimensional structure to a two-dimensional structure due to desorption of hydrogen atoms by ion bombardment on the film surface. This is consistent with the result of the infrared absorption spectrum of FIG.

上記の実施例は、本発明のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法を例示するものである。したがって、装置のサイズ、各部材の位置関係や操作条件等は、必要に応じて適宜変更することが可能である。   The above examples illustrate the method for forming an amorphous silicon carbide film of the present invention. Therefore, the size of the apparatus, the positional relationship of each member, the operating conditions, etc. can be changed as needed.

本発明のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法に用いられる装置の1例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the apparatus used for the formation method of the amorphous silicon carbide film | membrane of this invention. アモルファス炭化ケイ素膜のXPSスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the XPS spectrum of an amorphous silicon carbide film. 本発明の実施例で得られたアモルファス炭化ケイ素膜の硬度を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the hardness of the amorphous silicon carbide film | membrane obtained in the Example of this invention. 本発明の実施例で得られたアモルファス炭化ケイ素膜について、印加した負の高周波バイアス電圧と膜硬度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the applied negative high frequency bias voltage and film | membrane hardness about the amorphous silicon carbide film obtained in the Example of this invention. 本発明の実施例で得られたアモルファス炭化ケイ素膜の赤外線吸収スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the infrared absorption spectrum of the amorphous silicon carbide film | membrane obtained in the Example of this invention. 本発明の実施例で得られたアモルファス炭化ケイ素膜のラマン散乱スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the Raman scattering spectrum of the amorphous silicon carbide film | membrane obtained in the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 真空反応容器
2 放電管
3,14,17 配管
4 電源
5 マグネトロン
6 導波管
7 高周波電源
8 マッチングボックス
9 フィルター回路
10 デジタルマルチメータ
11 基板ステージ
12 基板
13 ノズル
15,16 ガラスセル
18 仕切り板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vacuum reaction vessel 2 Discharge tube 3,14,17 Piping 4 Power supply 5 Magnetron 6 Waveguide 7 High frequency power supply 8 Matching box 9 Filter circuit 10 Digital multimeter 11 Substrate stage 12 Substrate 13 Nozzle 15 and 16 Glass cell 18 Partition plate

Claims (7)

マイクロ波プラズマCVD法によりケイ素化合物を含む原料ガスを用いて基板上にアモルファス炭化ケイ素膜を形成する際に、基板に負の高周波バイアス電圧(−VRF)を連続的に印加することを特徴とするアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。 When an amorphous silicon carbide film is formed on a substrate using a source gas containing a silicon compound by a microwave plasma CVD method, a negative high-frequency bias voltage (−V RF ) is continuously applied to the substrate. A method for forming an amorphous silicon carbide film. マイクロ波の出力が50−120Wで、負の高周波バイアス電圧(−VRF)が60V<−VRF<120Vであることを特徴とする請求項1に記載のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。 2. The method of forming an amorphous silicon carbide film according to claim 1, wherein the microwave output is 50 to 120 W and the negative high-frequency bias voltage (−V RF ) is 60 V <−V RF <120 V. 3. 原料ガスとしてテトラメチルシランとアルゴンを、テトラメチルシラン/アルゴン=0.001〜0.1の割合で含むガスを用いることを特徴とする請求項1又は2に記載のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。   3. The method for forming an amorphous silicon carbide film according to claim 1, wherein a gas containing tetramethylsilane and argon at a ratio of tetramethylsilane / argon = 0.001 to 0.1 is used as a source gas. . 原料ガスとして予め脱水処理をした原料ガスを用いることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。   The method for forming an amorphous silicon carbide film according to claim 1, wherein a raw material gas that has been subjected to a dehydration process in advance is used as the raw material gas. アモルファス炭化ケイ素膜の硬度が30−70GPaであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。   The method for forming an amorphous silicon carbide film according to claim 1, wherein the amorphous silicon carbide film has a hardness of 30 to 70 GPa. アモルファス炭化ケイ素膜のケイ素に対する炭素の原子比[C]/[Si]が1.1−1.8であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。   6. The formation of a hard carbon nitride film according to claim 1, wherein the atomic ratio [C] / [Si] of carbon to silicon of the amorphous silicon carbide film is 1.1 to 1.8. Method. 基板がシリコン、炭化ケイ素、窒化ケイ素から選択された表面を有するものであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のアモルファス炭化ケイ素膜の形成方法。


The method for forming an amorphous silicon carbide film according to claim 1, wherein the substrate has a surface selected from silicon, silicon carbide, and silicon nitride.


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