JP2016180132A - Method for manufacturing diamond film, hot filament cvd apparatus and mechanical seal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基材の表面にダイヤモンド薄膜などの薄膜を形成するための熱フィラメントＣＶＤ装置及びその装置を用いて薄膜を形成するための成膜方法、並びにダイヤモンド薄膜を用いたメカニカルシールに関する。 The present invention relates to a hot filament CVD apparatus for forming a thin film such as a diamond thin film on the surface of a substrate, a film forming method for forming a thin film using the apparatus, and a mechanical seal using the diamond thin film.
熱フィラメント化学蒸着法（以下、「熱フィラメントＣＶＤ法」という。）は、例えばダイヤモンド薄膜などの薄膜を基板などの基材の表面に形成するために用いられている。例えば、特許文献１には、ダイヤモンドの気相合成を行う熱フィラメントＣＶＤ法において、前処理として、高濃度の炭素源を導入して通電加熱し、タンタルフィラメントの両電極端にグラファイトを主体とするカーボンを鞘状に析出させて被覆形成するための炭化処理を施すようにした熱フィラメントＣＶＤ法であって、５体積％以上のメタン濃度を有するメタンと水素との混合ガスを炭素源として導入し、通電加熱によりフィラメントの温度を２０００℃以上で少なくとも１２時間保持することを特徴とする熱フィラメントＣＶＤ法が開示されている。 A hot filament chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as “hot filament CVD method”) is used to form a thin film such as a diamond thin film on the surface of a substrate such as a substrate. For example, in Patent Document 1, in a hot filament CVD method in which diamond is vapor-phase synthesized, as a pretreatment, a high concentration carbon source is introduced and energized and heated, and graphite is mainly used at both ends of the tantalum filament. A hot filament CVD method in which carbon is deposited to form a sheath by depositing carbon into a sheath, and a mixed gas of methane and hydrogen having a methane concentration of 5% by volume or more is introduced as a carbon source. A hot filament CVD method is disclosed in which the filament temperature is maintained at 2000 ° C. or more for at least 12 hours by energization heating.
また、特許文献２には、可動部材と静止部材とを有する軸受又はシール構造において、部材同士の対向面が、多結晶ダイヤモンドが被覆されていることを特徴とするダイヤモンド被覆軸受又はシール構造が開示されている。特許文献３には、熱フィラメントＣＶＤ法を用いて基板の外側に複数本のフィラメントを等間隔で張り、対象の基材表面にダイヤモンドを析出することが記載されている。 Patent Document 2 discloses a diamond-coated bearing or seal structure characterized in that, in a bearing or seal structure having a movable member and a stationary member, the opposing surfaces of the members are coated with polycrystalline diamond. Has been. Patent Document 3 describes that a plurality of filaments are stretched at equal intervals on the outside of a substrate using a hot filament CVD method, and diamond is deposited on the surface of a target base material.
特許文献３には、反応室と、原料供給系と、質量分析器とを有するＣＶＤ装置であって、前記反応室は、内部に導入した原料を用いて基板にＣＶＤ成膜を起こさせるものであり、前記原料供給系は、ＣＶＤ反応を起こさせる原料を反応室に供給するものであり、前記原料は、室温で固体又は液体であり、質量分析器は、前記反応室の原料成分を分析し、分析結果に基づいて原料供給系に前記反応室へ供給する原料供給量を制御する指令を出力するものであることを特徴とするＣＶＤ装置が記載されている。 Patent Document 3 discloses a CVD apparatus having a reaction chamber, a raw material supply system, and a mass spectrometer, and the reaction chamber causes a CVD film to be formed on a substrate using a raw material introduced therein. The raw material supply system supplies a raw material that causes a CVD reaction to the reaction chamber, the raw material is solid or liquid at room temperature, and the mass analyzer analyzes the raw material components in the reaction chamber. The CVD apparatus is characterized in that it outputs a command for controlling the amount of raw material supplied to the reaction chamber to the raw material supply system based on the analysis result.
熱フィラメントＣＶＤ法は、原料ガスの熱分解による生成物や化学反応によって、基材の表面に薄膜を形成する化学気相成長（ＣＶＤ）の一種であり、熱フィラメントから放出された熱電子により原料ガスの分解生成物や化学反応させることに特徴がある。熱フィラメントＣＶＤ法は、通常、少なくとも２０００℃以上に加熱された一本以上のフィラメントによって導入した原料ガスを励起し、基材の表面に薄膜を形成する方法である。熱フィラメントＣＶＤ法を用いて、例えばダイヤモンド薄膜を成膜する技術が開発されてきている。 The hot filament CVD method is a type of chemical vapor deposition (CVD) in which a thin film is formed on the surface of a substrate by a product or chemical reaction resulting from thermal decomposition of the raw material gas. It is characterized by gas decomposition products and chemical reaction. The hot filament CVD method is a method in which a source gas introduced by one or more filaments heated to at least 2000 ° C. is excited to form a thin film on the surface of the substrate. For example, a technique for forming a diamond thin film using a hot filament CVD method has been developed.
熱フィラメントＣＶＤ法により、ダイヤモンド薄膜を成膜する場合、原料ガスとして、炭素を含むガス（例えばメタンガス）を用いるが、それに加え、水素ガスをキャリアガスとして用いることが一般的である。ダイヤモンド薄膜の成膜に水素ガス（キャリアガス）を用いる場合、フィラメントからの熱により活性化された水素は、非ダイヤモンド炭素に対して強いエッチング作用を示し、一方、ダイヤモンドに対してはほとんどエッチング作用を示さない。水素ガスを用いる熱フィラメントＣＶＤ法は、この選択的エッチング作用をうまく利用して、基材上における非ダイヤモンド成分の成長を抑え、ダイヤモンドのみを析出させることにより、ダイヤモンド薄膜を成膜することができる。このように、ダイヤモンド薄膜の際には、水素ガスが重要な役割を果たしている。水素ガス（キャリアガス）と、炭素を含む原料ガスとを含む混合ガスを成膜用ガスとしてダイヤモンド薄膜を成膜する場合、成膜用ガス中の原料ガスの流量割合は、３〜４％程度である。 When a diamond thin film is formed by a hot filament CVD method, a gas containing carbon (for example, methane gas) is used as a source gas, but in addition, a hydrogen gas is generally used as a carrier gas. When hydrogen gas (carrier gas) is used to form a diamond thin film, hydrogen activated by heat from the filament exhibits a strong etching action on non-diamond carbon, while almost an etching action on diamond. Not shown. The hot filament CVD method using hydrogen gas can take advantage of this selective etching action to suppress the growth of non-diamond components on the substrate and deposit only diamond to form a diamond thin film. . Thus, hydrogen gas plays an important role in the case of a diamond thin film. When forming a diamond thin film using a mixed gas containing hydrogen gas (carrier gas) and a source gas containing carbon as a film forming gas, the flow rate ratio of the source gas in the film forming gas is about 3 to 4%. It is.
近年、大型の熱フィラメントＣＶＤ装置による大面積のダイヤモンド薄膜の成膜技術の開発が進められている。しかしながら、成膜面積の大面積化に伴い、成膜用ガスの使用量の増加によるコストや成膜に要する時間も増大する。また、爆発性の高い水素ガスを大量に使用することは危険性を伴う。したがって、ダイヤモンド薄膜の成膜面積の大面積化にあたっては、安全性に懸念が生じる。ダイヤモンド薄膜の製造コストを下げるためには、成膜用ガスの使用量を削減することも必要である。 In recent years, a technique for forming a large-area diamond thin film using a large-sized hot filament CVD apparatus has been developed. However, as the film formation area increases, the cost and time required for film formation increase due to an increase in the amount of film formation gas used. Moreover, it is dangerous to use a large amount of highly explosive hydrogen gas. Therefore, there is a concern about safety in increasing the area of the diamond thin film. In order to reduce the manufacturing cost of the diamond thin film, it is also necessary to reduce the amount of film forming gas used.
そこで、本発明は、ダイヤモンド薄膜を低コストで成膜するための、ダイヤモンド薄膜の製造方法を得ることを目的とする。具体的には、本発明は、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜するための、ダイヤモンド薄膜の製造方法を得ることを目的とする。さらに具体的には、キャリアガスの使用量を削減することにより、低コストで安全なダイヤモンド薄膜の製造方法を得ることを目的とする。 Then, an object of this invention is to obtain the manufacturing method of a diamond thin film for forming a diamond thin film at low cost. Specifically, an object of the present invention is to obtain a method for manufacturing a diamond thin film for forming a diamond thin film having a uniform film thickness at a relatively safe and high film formation rate. More specifically, an object is to obtain a safe method for producing a diamond thin film at low cost by reducing the amount of carrier gas used.
また、本発明は、熱フィラメントＣＶＤ法によって、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることを目的とする。具体的には、本発明は、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることを目的とする。さらに具体的には、キャリアガスの使用量を削減することにより、低コストで安全にダイヤモンド薄膜を製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることを目的とする。 Another object of the present invention is to obtain a hot filament CVD apparatus capable of producing a diamond thin film at a low cost by a hot filament CVD method. Specifically, an object of the present invention is to obtain a hot filament CVD apparatus that can produce a diamond thin film having a uniform film thickness at a relatively safe and high film formation rate. More specifically, an object of the present invention is to obtain a hot filament CVD apparatus capable of producing a diamond thin film safely at low cost by reducing the amount of carrier gas used.
本発明者らは、熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるダイヤモンド薄膜の成膜について鋭意研究したところ、所定の成膜条件を満たす場合は、爆発性の高い水素ガスの使用量を、減少させたとしても、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができることを見出し、本発明に至った。 As a result of diligent research on film formation of a diamond thin film using a hot filament CVD apparatus, the present inventors have satisfied the predetermined film formation condition, even if the amount of hydrogen gas having high explosive properties is reduced, The inventors have found that a diamond thin film having a uniform film thickness can be formed at a high film forming speed, and have reached the present invention.
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。本発明は、構成１〜７であるダイヤモンド薄膜の製造方法、構成８であるメカニカルシール、及び構成９〜１３である熱フィラメントＣＶＤ装置である。 In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration. The present invention is a method for manufacturing a diamond thin film having configurations 1 to 7, a mechanical seal having configuration 8, and a hot filament CVD apparatus having configurations 9 to 13.
（構成１）
本発明の構成１は、熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるダイヤモンド薄膜の製造方法であって、
前記熱フィラメントＣＶＤ装置が、成膜室と、前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段とを含み、
ダイヤモンド薄膜の製造方法が、前記基材台に前記基材を配置する工程と、前記成膜室内に前記原料ガス及び前記キャリアガスを供給する工程と、前記フィラメントに通電することにより、前記フィラメントを所定の温度まで上昇させる工程とを含み、
前記キャリアガスの流量に対する前記原料ガスの流量の比率が５〜２３％（例えば、水素１００ｍｌ／分に対するメタン流量２３ｍｌ／分）の範囲内となるように設定される、ダイヤモンド薄膜の製造方法である。
(Configuration 1)
Configuration 1 of the present invention is a method for producing a diamond thin film using a hot filament CVD apparatus,
The hot filament CVD apparatus is disposed in the film formation chamber, the film formation chamber, a base plate for arranging the base material, the filament disposed in the film formation chamber and capable of being heated by energizing current. And a gas supply means for supplying a source gas and a carrier gas into the film forming chamber,
The method for producing a diamond thin film includes a step of disposing the base material on the base plate, a step of supplying the source gas and the carrier gas into the film forming chamber, and energizing the filament. And raising to a predetermined temperature,
The method for producing a diamond thin film, wherein the ratio of the flow rate of the source gas to the flow rate of the carrier gas is set to be within a range of 5 to 23% (for example, a methane flow rate of 23 ml / min with respect to 100 ml / min of hydrogen). .
なお、本明細書において、気体の流量を「ｍｌ（ミリリットル）／分」の単位で表すことがあるが、この場合、気体の体積は、標準状態（常温、常圧）での気体の体積を示す。常温とは２５℃、常圧とは１気圧である。 In this specification, the gas flow rate may be expressed in units of “ml (milliliter) / min”. In this case, the volume of the gas is the volume of the gas in the standard state (normal temperature, normal pressure). Show. Normal temperature is 25 ° C. and normal pressure is 1 atmosphere.
本発明の構成１によれば、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率を５〜２３％の範囲内となるように設定してダイヤモンド薄膜の成膜を行うことにより、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することができる。具体的には、本発明の構成１のダイヤモンド薄膜の製造方法により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。さらに具体的には、本発明の構成１のダイヤモンド薄膜の製造方法によれば、キャリアガスの使用量を削減することにより、低コストで安全にダイヤモンド薄膜を製造することができる。 According to Configuration 1 of the present invention, the diamond thin film is formed at a low cost by setting the ratio of the flow rate of the source gas to the flow rate of the carrier gas to be in the range of 5 to 23%. Can be manufactured. Specifically, a diamond thin film having a uniform film thickness can be manufactured at a relatively safe and high film forming speed by the method for manufacturing a diamond thin film according to Configuration 1 of the present invention. More specifically, according to the method for producing a diamond thin film of Configuration 1 of the present invention, the diamond thin film can be produced safely at low cost by reducing the amount of carrier gas used.
（構成２）
本発明の構成２は、熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるダイヤモンド薄膜の製造方法であって、
前記熱フィラメントＣＶＤ装置が、成膜室と、前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段とを含み、
ダイヤモンド薄膜の製造方法が、前記基材台に前記基材を配置する工程と、前記成膜室内に前記原料ガス及び前記キャリアガスを供給する工程と、前記フィラメントに通電することにより、前記フィラメントを所定の温度まで上昇させる工程とを含み、
前記フィラメントに通電するときの単位電力当たりの、前記原料ガス及び前記キャリアガスの１分当たりの合計流量が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）である、ダイヤモンド薄膜の製造方法である。
(Configuration 2)
Configuration 2 of the present invention is a method for producing a diamond thin film using a hot filament CVD apparatus,
The hot filament CVD apparatus is disposed in the film formation chamber, the film formation chamber, a base plate for arranging the base material, the filament disposed in the film formation chamber and capable of being heated by energizing current. And a gas supply means for supplying a source gas and a carrier gas into the film forming chamber,
The method for producing a diamond thin film includes a step of disposing the base material on the base plate, a step of supplying the source gas and the carrier gas into the film forming chamber, and energizing the filament. And raising to a predetermined temperature,
It is a method for producing a diamond thin film, wherein a total flow rate per minute of the source gas and the carrier gas per unit power when energizing the filament is 3 to 60 ml / (min · KW).
本発明の構成２によれば、フィラメントに通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量（ｍｌ／分）が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）であるようにしてダイヤモンド薄膜の成膜を行うことにより、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することができる。具体的には、本発明の構成２のダイヤモンド薄膜の製造方法により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。 According to Configuration 2 of the present invention, the total flow rate (ml / min) per minute of the source gas and the carrier gas per unit power when the filament is energized is 3 to 60 ml / (min · KW). Thus, by forming a diamond thin film, the diamond thin film can be manufactured at low cost. Specifically, a diamond thin film having a uniform film thickness can be manufactured at a relatively safe and high film forming speed by the method for manufacturing a diamond thin film of Configuration 2 of the present invention.
（構成３）
本発明の構成３は、前記原料ガス及び前記キャリアガスの１分当たりの合計ガス流量を、成膜室内でダイヤモンド薄膜を成膜可能な面積である処理面積１ｃｍ２当たり、０．０５〜２ｍｌ／分の範囲内とする、構成１又は２に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法である。
(Configuration 3)
In the configuration 3 of the present invention, the total gas flow rate per minute of the raw material gas and the carrier gas is set to 0.05 to 2 ml / per processing area 1 cm 2 where the diamond thin film can be formed in the film forming chamber. It is the manufacturing method of the diamond thin film of the structure 1 or 2 made into the range of minutes.
本発明の構成３によれば、合計ガス流量を、成膜室内でダイヤモンド薄膜を成膜可能な面積である処理面積１ｃｍ２当たり所定の流量とすることにより、より安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。 According to Configuration 3 of the present invention, the total gas flow rate is set to a predetermined flow rate per 1 cm 2 of processing area, which is an area where the diamond thin film can be formed in the film forming chamber, so that a safer and faster film forming rate can be obtained. A diamond thin film having a uniform film thickness can be produced.
（構成４）
本発明の構成４は、
前記成膜室の前記処理面積が１００ｃｍ２以上の値であり、前記合計ガス流量が、処理面積１ｃｍ２当たり、毎分０．１４〜２．０ｍｌの範囲内であるように、前記ガス供給手段が前記原料ガス及び前記キャリアガスの流量を制御する、構成１から３のいずれかに記載のダイヤモンド薄膜の製造方法である。
(Configuration 4)
Configuration 4 of the present invention includes
The gas supply means so that the processing area of the film forming chamber is a value of 100 cm 2 or more and the total gas flow rate is within a range of 0.14 to 2.0 ml per minute per 1 cm 2 of processing area. Is a method for producing a diamond thin film according to any one of configurations 1 to 3, wherein the flow rates of the source gas and the carrier gas are controlled.
本発明の構成４によれば、ダイヤモンド薄膜の成膜の際に、処理面積１ｃｍ２当たりの原料ガス及びキャリアガスの合計ガス流量を所定の範囲とすることにより、安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を、確実に製造することができる。 According to the configuration 4 of the present invention, when the diamond thin film is formed, the total gas flow rate of the source gas and the carrier gas per 1 cm 2 of processing area is set within a predetermined range, so that a safe and high film formation rate can be achieved. A diamond thin film having a uniform film thickness can be reliably produced.
（構成５）
本発明の構成５は、前記原料ガスが、炭化水素ガスであり、前記キャリアガスが、水素ガスである、構成１から４のいずれかに記載のダイヤモンド薄膜の製造方法である。
(Configuration 5)
Configuration 5 of the present invention is the method for producing a diamond thin film according to any one of Configurations 1 to 4, wherein the source gas is a hydrocarbon gas and the carrier gas is a hydrogen gas.
本発明の構成５によれば、キャリアガスとして爆発性の高い水素ガスを用いる場合であっても、水素ガスの流量を低減することができるので、より安全にダイヤモンド薄膜を製造することができる。 According to Configuration 5 of the present invention, even when highly explosive hydrogen gas is used as the carrier gas, the flow rate of the hydrogen gas can be reduced, so that the diamond thin film can be manufactured more safely.
（構成６）
本発明の構成６は、前記基材と前記フィラメントとの距離を１〜７ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定する、構成１から５のいずれかに記載のダイヤモンド薄膜の製造方法である。
(Configuration 6)
Configuration 6 of the present invention is the method for manufacturing a diamond thin film according to any one of Configurations 1 to 5, wherein the distance between the substrate and the filament is set to any value within a range of 1 to 7 mm.
本発明の構成６によれば、基材とフィラメントとの距離を所定の範囲内の値に設定することにより、速い成膜速度でのダイヤモンド薄膜の成膜を、確実に行うことができる。 According to Configuration 6 of the present invention, the diamond thin film can be reliably formed at a high film formation rate by setting the distance between the substrate and the filament to a value within a predetermined range.
（構成７）
本発明の構成７は、前記基材台が、前記基材台に配置された前記基材を冷却するための冷却手段を含む、構成１から６のいずれかに記載のダイヤモンド薄膜の製造方法である。
(Configuration 7)
Configuration 7 of the present invention is the method for producing a diamond thin film according to any one of Configurations 1 to 6, wherein the base plate includes a cooling means for cooling the base disposed on the base plate. is there.
本発明の構成７によれば、基材台に冷却手段が配置された基材を冷却することにより、成膜に適したフィラメント温度による基材の温度の上昇を低減し、ダイヤモンド薄膜のために適切な基材の温度を得ることができる。 According to Configuration 7 of the present invention, by cooling the base material on which the cooling means is arranged on the base material table, the increase in the temperature of the base material due to the filament temperature suitable for film formation is reduced, and for the diamond thin film Appropriate substrate temperatures can be obtained.
（構成８）
本発明の構成８は、構成１〜７のダイヤモンド薄膜の製造方法によって製造されたダイヤモンド薄膜により、表面の少なくとも一部が被覆されるメカニカルシールである。
(Configuration 8)
Configuration 8 of the present invention is a mechanical seal in which at least a part of the surface is covered with the diamond thin film manufactured by the diamond thin film manufacturing method of Configurations 1-7.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することができるので、メカニカルシールの表面の少なくとも一部を、ダイヤモンド薄膜により、低コストで被覆することができる。 Since the diamond thin film can be produced at a low cost by the method for producing a diamond thin film of the present invention, at least a part of the surface of the mechanical seal can be covered with the diamond thin film at a low cost.
（構成９）
本発明の構成９は、成膜室と、前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と、を含む、熱フィラメントＣＶＤ装置であって、
前記ガス供給手段が、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御する流量制御機構を含み、
前記流量制御機構が、前記キャリアガスの流量に対する前記原料ガスの流量の比率が５〜２３％の範囲内となるように、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御可能である、熱フィラメントＣＶＤ装置である。
(Configuration 9)
Configuration 9 of the present invention includes a film forming chamber, a base plate for arranging the base material, and a filament that is arranged in the film forming chamber and is heated by energizing an electric current. And a gas supply means for supplying a source gas and a carrier gas into the film forming chamber,
The gas supply means includes a flow rate control mechanism for controlling the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the source gas;
The flow rate control mechanism can control the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the raw material gas so that the ratio of the flow rate of the raw material gas to the flow rate of the carrier gas is in the range of 5 to 23%. This is a filament CVD apparatus.
本発明の構成９によれば、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率を５〜２３％の範囲内となるように設定してダイヤモンド薄膜の成膜を行うことのできる熱フィラメントＣＶＤ装置により、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することができる。具体的には、本発明の構成９の熱フィラメントＣＶＤ装置により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。さらに具体的には、本発明により、キャリアガスの使用量を削減することによって、低コストで安全にダイヤモンド薄膜を製造することのできる、熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることができる。 According to Configuration 9 of the present invention, the hot filament CVD apparatus capable of forming a diamond thin film by setting the ratio of the flow rate of the source gas to the flow rate of the carrier gas to be in the range of 5 to 23%. A diamond thin film can be manufactured at low cost. Specifically, a diamond thin film having a uniform film thickness can be manufactured at a relatively safe and high film formation rate by the hot filament CVD apparatus of the ninth aspect of the present invention. More specifically, according to the present invention, a hot filament CVD apparatus capable of safely producing a diamond thin film at low cost can be obtained by reducing the amount of carrier gas used.
（構成１０）
本発明の構成１０は、成膜室と、前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段とを含む、熱フィラメントＣＶＤ装置であって、
前記ガス供給手段が、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御する流量制御機構を含み、
前記流量制御機構が、前記フィラメントに通電するときの単位電力当たりの、前記原料ガス及び前記キャリアガスの合計流量が、１分当たりの合計流量が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）となるように、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御可能である、熱フィラメントＣＶＤ装置である。
(Configuration 10)
Configuration 10 of the present invention includes a film forming chamber, a base plate for arranging the base material, and a filament that is arranged in the film forming chamber and can be heated by energizing an electric current. And a hot filament CVD apparatus including a gas supply means for supplying a source gas and a carrier gas into the film forming chamber,
The gas supply means includes a flow rate control mechanism for controlling the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the source gas;
When the flow rate control mechanism energizes the filament, the total flow rate of the source gas and the carrier gas per unit power is 3 to 60 ml / (min · KW) per minute. Furthermore, it is a hot filament CVD apparatus that can control the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the source gas.
本発明の構成１０によれば、フィラメントに通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの合計流量が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）となるように設定してダイヤモンド薄膜の成膜を行うことのできる熱フィラメントＣＶＤ装置により、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することができる。具体的には、本発明の構成１０の熱フィラメントＣＶＤ装置により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。 According to Configuration 10 of the present invention, the diamond thin film is formed by setting the total flow rate of the source gas and the carrier gas per unit power when the filament is energized to 3 to 60 ml / (min · KW). A diamond thin film can be manufactured at low cost by a hot filament CVD apparatus capable of forming a film. Specifically, a diamond thin film having a uniform film thickness can be manufactured with a relatively safe and high film formation rate by the hot filament CVD apparatus having the constitution 10 of the present invention.
（構成１１）
本発明の構成１１は、前記熱フィラメントＣＶＤ装置が、ダイヤモンド薄膜の製造用の熱フィラメントＣＶＤ装置である、構成９又は１０に記載の熱フィラメントＣＶＤ装置である。本発明の構成１１の熱フィラメントＣＶＤ装置により、ダイヤモンド薄膜の成膜を低コストで行うことができる。
(Configuration 11)
Configuration 11 of the present invention is the hot filament CVD apparatus according to Configuration 9 or 10, wherein the hot filament CVD apparatus is a hot filament CVD apparatus for manufacturing a diamond thin film. A diamond thin film can be formed at a low cost by the hot filament CVD apparatus having the constitution 11 of the present invention.
（構成１２）
本発明の構成１２は、前記基材と前記フィラメントとの距離を１〜７ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定する、構成９から１１のいずれかに記載の熱フィラメントＣＶＤ装置である。
(Configuration 12)
The structure 12 of this invention is a hot filament CVD apparatus in any one of the structures 9-11 which sets the distance of the said base material and the said filament to any value within the range of 1-7 mm.
本発明の構成１２の熱フィラメントＣＶＤ装置によれば、基材とフィラメントとの距離を所定の範囲内の値に設定することにより、速い成膜速度でのダイヤモンド薄膜の成膜を、確実に行うことができる。 According to the hot filament CVD apparatus of configuration 12 of the present invention, by setting the distance between the base material and the filament to a value within a predetermined range, the diamond thin film can be reliably formed at a high film formation rate. be able to.
（構成１３）
本発明の構成１３は、前記基材台が、前記基材台に配置された前記基材を冷却するための冷却手段を含む、構成９から１２のいずれかに記載の熱フィラメントＣＶＤ装置である。
(Configuration 13)
Configuration 13 of the present invention is the hot filament CVD apparatus according to any one of Configurations 9 to 12, wherein the base plate includes a cooling unit for cooling the base disposed on the base plate. .
本発明の構成１３の熱フィラメントＣＶＤ装置によれば、基材台に冷却手段が配置された基材を冷却することにより、成膜に適したフィラメント温度による基材の温度の上昇を低減し、ダイヤモンド薄膜のために適切な基材の温度を得ることができる。 According to the hot filament CVD apparatus of Configuration 13 of the present invention, by cooling the base material on which the cooling means is arranged on the base material table, the increase in the temperature of the base material due to the filament temperature suitable for film formation is reduced, An appropriate substrate temperature can be obtained for the diamond film.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、ダイヤモンド薄膜及びダイヤモンド薄膜を施したメカニカルシールを低コストで製造することができる。具体的には、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。さらに具体的には、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法によれば、キャリアガスの使用量を削減することにより、低コストで安全にダイヤモンド薄膜を製造することができる。 According to the method for producing a diamond thin film of the present invention, a diamond thin film and a mechanical seal provided with the diamond thin film can be produced at a low cost. Specifically, the method for producing a diamond thin film of the present invention makes it possible to produce a diamond thin film having a uniform film thickness at a relatively safe and high film formation rate. More specifically, according to the method for producing a diamond thin film of the present invention, the diamond thin film can be produced safely at low cost by reducing the amount of carrier gas used.
本発明により、熱フィラメントＣＶＤ法によって、ダイヤモンド薄膜を低コストで製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることができる。具体的には、本発明により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることができる。さらに具体的には、本発明により、キャリアガスの使用量を削減することにより、低コストで安全にダイヤモンド薄膜を製造することのできる熱フィラメントＣＶＤ装置を得ることができる。 According to the present invention, a hot filament CVD apparatus capable of producing a diamond thin film at a low cost can be obtained by a hot filament CVD method. Specifically, according to the present invention, a hot filament CVD apparatus capable of producing a diamond thin film having a uniform film thickness at a relatively safe and high film formation rate can be obtained. More specifically, according to the present invention, a hot filament CVD apparatus capable of safely producing a diamond thin film at low cost can be obtained by reducing the amount of carrier gas used.
本発明は、熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるダイヤモンド薄膜の製造方法及びその装置である。本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給する際の、原料ガス及びキャリアガスの流量を所定の範囲とすることに特徴がある。また、本発明のダイヤモンド薄膜の製造装置は、原料ガス及びキャリアガスの流量を所定の範囲とすることができることに特徴がある。 The present invention is a method and apparatus for producing a diamond thin film using a hot filament CVD apparatus. The method for producing a diamond thin film according to the present invention is characterized in that the flow rates of the source gas and the carrier gas when the source gas and the carrier gas are supplied into the film forming chamber are within a predetermined range. In addition, the diamond thin film manufacturing apparatus of the present invention is characterized in that the flow rates of the source gas and the carrier gas can be in a predetermined range.
本発明の製造方法及び装置は、ダイヤモンド薄膜の製造及び当該ダイヤモンド薄膜を成膜したメカニカルシールの製造のために好適に用いることができる。また、本発明の製造方法及び装置は、ダイヤモンド薄膜以外の薄膜の製造のためにも用いることができる。 The production method and apparatus of the present invention can be suitably used for producing a diamond thin film and a mechanical seal on which the diamond thin film is formed. The production method and apparatus of the present invention can also be used for the production of thin films other than diamond thin films.
まず、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置について説明する。 First, the hot filament CVD apparatus of the present invention will be described.
図１に、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置の装置構成の模式図を示す。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、成膜室１と、基材台３と、フィラメント２と、ガス供給手段（成膜用ガス供給装置２０）とを含む。 In FIG. 1, the schematic diagram of the apparatus structure of the hot filament CVD apparatus of this invention is shown. The hot filament CVD apparatus of the present invention includes a film formation chamber 1, a substrate table 3, a filament 2, and a gas supply means (film formation gas supply apparatus 20).
図１に示すように、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、成膜室１を含む。成膜室１は、真空気密を保つために金属などの剛性材料、例えばステンレス鋼からなる側壁等により包囲されて真空容器を形成する。成膜室１の外部と内部とを連通するためのポート等は、成膜室１の真空気密を保つために公知の方法によりシールされている。成膜室１の内部には基材台３が設けられ、基材台３に配置された基材４の表面に薄膜を形成することができる。 As shown in FIG. 1, the hot filament CVD apparatus of the present invention includes a film forming chamber 1. The film forming chamber 1 is surrounded by a rigid material such as a metal, for example, a side wall made of stainless steel or the like, to form a vacuum container in order to maintain vacuum hermeticity. A port or the like for communicating the outside and inside of the film forming chamber 1 is sealed by a known method in order to keep the film forming chamber 1 vacuum-tight. A base 3 is provided inside the film forming chamber 1, and a thin film can be formed on the surface of the base 4 disposed on the base 3.
本明細書において「基材４」とは、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置によってその表面に薄膜を形成する物体のことをいう。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置により、基材４の少なくとも一部の表面に薄膜を形成することができる。基材４の形状は、具体的には、平板状の基板であることができる。しかしながら、基材４の形状は、平板状の基板に限られず、例えば、厚みを有する直方体、円筒状の外形を有する基材４の外表面等、後述するフィラメント２の配置を工夫することによって、任意の形状の基材４の表面への成膜を行うことができる。熱フィラメントＣＶＤ法では、一般的に、成膜中の基材４の温度が８００〜１０００℃となることが多いため、基材４の材料としては、シリコン、炭化ケイ素、アルミナなどの耐熱性の材料、モリブデン、ケイ素、タンタル、チタン、ニオブ及びそれらを組み合わせた炭化物材料並びにモリブデン及び白金等の高融点金属材料を好ましく用いることができる。また、他の耐熱性材料に上記炭化物系材料を被覆して基材４とすることもできる。 In the present specification, the “base 4” refers to an object on which a thin film is formed by the hot filament CVD apparatus of the present invention. A thin film can be formed on at least a part of the surface of the substrate 4 by the hot filament CVD apparatus of the present invention. Specifically, the shape of the substrate 4 can be a flat substrate. However, the shape of the base material 4 is not limited to a flat substrate, for example, by devising the arrangement of the filament 2 described later, such as a rectangular parallelepiped having a thickness, the outer surface of the base material 4 having a cylindrical outer shape, etc. A film can be formed on the surface of the substrate 4 having an arbitrary shape. Generally, in the hot filament CVD method, the temperature of the base material 4 during film formation is often 800 to 1000 ° C. Therefore, the material of the base material 4 is a heat resistant material such as silicon, silicon carbide, or alumina. Materials, molybdenum materials such as molybdenum, silicon, tantalum, titanium, niobium and their combined carbide materials, and refractory metal materials such as molybdenum and platinum can be preferably used. In addition, the above-described carbide-based material may be coated on another heat resistant material to form the base material 4.
基材台３とは、成膜室１内に配置され、基材４をその上に配置するための台である。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置によって基材４の表面に薄膜を形成する際には、基材４は基材台３に載置される。良好な膜質の薄膜を成膜するためには、基材４の温度が成膜条件として重要である場合が多い。そのため、基材台３は、必要に応じて加熱及び／又は冷却可能な構造であることが好ましい。 The base material table 3 is a table for placing the base material 4 on the base film 4 placed in the film forming chamber 1. When forming a thin film on the surface of the base material 4 by the hot filament CVD apparatus of the present invention, the base material 4 is placed on the base material table 3. In order to form a thin film with good film quality, the temperature of the substrate 4 is often important as a film forming condition. Therefore, it is preferable that the base 3 is a structure that can be heated and / or cooled as necessary.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置では、基材台３が、基材台３に配置された基材４を冷却するための冷却手段を含むことが好ましい。冷却手段として、水等の冷媒を基材台３内部に循環させるための冷却管を、基材台３の内部に配置することができる。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置の基材台３に冷却手段が配置された基材を冷却することにより、成膜に適したフィラメント２の温度による基材４の温度の上昇を低減し、ダイヤモンド薄膜のために適切な基材４の温度を得ることができる。 In the hot filament CVD apparatus of the present invention, it is preferable that the base 3 is provided with a cooling means for cooling the base 4 disposed on the base 3. As a cooling means, a cooling pipe for circulating a coolant such as water inside the base plate 3 can be arranged inside the base plate 3. By cooling the substrate on which the cooling means is arranged on the substrate table 3 of the hot filament CVD apparatus of the present invention, the temperature rise of the substrate 4 due to the temperature of the filament 2 suitable for film formation is reduced, and the diamond thin film Therefore, it is possible to obtain a suitable temperature of the substrate 4.
熱フィラメントＣＶＤ法は、熱分解による生成物や化学反応によって、薄膜を形成する方法である。熱フィラメントＣＶＤ法は化学気相成長法（ＣＶＤ）の一種であり、フィラメント２からの熱エネルギーによって原料ガスの分解生成物や化学反応を利用する成膜法である。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、フィラメント２で発生した熱エネルギーによる所定の原料ガスの分解生成物や化学反応を利用することによって形成することが可能な薄膜の成膜に、薄膜の種類を問わず用いることができる。 The hot filament CVD method is a method of forming a thin film by a thermal decomposition product or chemical reaction. The hot filament CVD method is a kind of chemical vapor deposition (CVD), and is a film forming method that utilizes decomposition products of a source gas and chemical reaction by thermal energy from the filament 2. The hot filament CVD apparatus of the present invention can be used to form a thin film that can be formed by utilizing a decomposition product or chemical reaction of a predetermined source gas by thermal energy generated in the filament 2, regardless of the type of the thin film. Can be used.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、具体的には、炭素系薄膜、特にダイヤモンド薄膜（多結晶ダイヤモンド薄膜）の成膜のために好適に用いることができる。ダイヤモンド薄膜の成膜のための成膜用ガスとして、炭化水素、アルコール及び／又はアセトン等の炭素化合物ガス（原料ガス）と、水素ガス（キャリアガス）とを混合した混合ガス（成膜用ガス）が利用されている。この成膜用ガスを用いたダイヤモンド薄膜の成膜方法として、加熱したフィラメント２を用いる熱フィラメントＣＶＤ法、マイクロ波等を励起エネルギーとして用いる方法、火炎法及び紫外線放射併用法などがあるが、とりわけ熱フィラメントＣＶＤ法を好適に用いることができる。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置により、ダイヤモンド薄膜の成膜を低コストで行うことができる。 Specifically, the hot filament CVD apparatus of the present invention can be suitably used for forming a carbon-based thin film, particularly a diamond thin film (polycrystalline diamond thin film). As a film forming gas for forming a diamond thin film, a mixed gas (film forming gas) in which a carbon compound gas (raw material gas) such as hydrocarbon, alcohol and / or acetone and hydrogen gas (carrier gas) are mixed. ) Is used. As a method for forming a diamond thin film using this film forming gas, there are a hot filament CVD method using a heated filament 2, a method using microwaves as excitation energy, a flame method and an ultraviolet radiation combined method, among others. A hot filament CVD method can be suitably used. With the hot filament CVD apparatus of the present invention, a diamond thin film can be formed at low cost.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、フィラメント２を用いて成膜用ガスを加熱し、所定の薄膜を成膜する。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置では、成膜室１内に配置されたフィラメント２に電流を通電することにより、フィラメント２を加熱することが可能である。フィラメント２の材料としては、タングステン、タンタル及びモリブデンなどの高融点金属を挙げることができる。取り扱い性の点などから、フィラメント２の材料としては、タンタル又はタングステンを用いることが好ましい。特に、良質な膜質の薄膜を高速に成膜することができることから、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置では、タンタルを材料とするフィラメント２を用いることが好ましい。 The hot filament CVD apparatus of the present invention uses a filament 2 to heat a film forming gas to form a predetermined thin film. In the hot filament CVD apparatus of the present invention, the filament 2 can be heated by passing an electric current through the filament 2 disposed in the film forming chamber 1. Examples of the material of the filament 2 include refractory metals such as tungsten, tantalum, and molybdenum. From the viewpoint of handleability, it is preferable to use tantalum or tungsten as the material of the filament 2. In particular, since a high-quality thin film can be formed at high speed, it is preferable to use the filament 2 made of tantalum in the hot filament CVD apparatus of the present invention.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置で用いるフィラメント２の直径は、０．０５〜１ｍｍであり、好ましくは０．０５〜０．３ｍｍ、より好ましくは０．１０〜０．２ｍｍである。フィラメント２の長さ及び本数は、成膜する基材４の表面（成膜表面）の大きさに応じて適宜選択することができる。好ましくは、フィラメント２が、少なくとも成膜表面の全体を所定の間隔で覆うように、複数本のフィラメント２を平行に、等間隔に配置することが好ましい。より均一な膜厚の薄膜を成膜する点から、フィラメント２の間隔は、２〜２０ｍｍであることが好ましく、３〜１８ｍｍであることがより好ましい。特に、フィラメント２の間隔が４〜１５ｍｍである場合には、優れた膜厚の均一性を得ることができる。 The diameter of the filament 2 used in the hot filament CVD apparatus of the present invention is 0.05 to 1 mm, preferably 0.05 to 0.3 mm, more preferably 0.10 to 0.2 mm. The length and the number of the filaments 2 can be appropriately selected according to the size of the surface (film formation surface) of the substrate 4 on which the film is formed. Preferably, the plurality of filaments 2 are arranged in parallel and at equal intervals so that the filament 2 covers at least the entire film formation surface at a predetermined interval. From the point of forming a thin film having a more uniform film thickness, the interval between the filaments 2 is preferably 2 to 20 mm, and more preferably 3 to 18 mm. In particular, when the distance between the filaments 2 is 4 to 15 mm, excellent film thickness uniformity can be obtained.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置では、基材４とフィラメント２との距離を１〜７ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定することが好ましく、２〜５ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定することがより好ましい。基材４とフィラメント２との距離を所定の範囲内の値に設定することにより、速い成膜速度、例えば１μｍ／時間を超える成膜速度でのダイヤモンド薄膜の成膜を、確実に行うことができる。 In the hot filament CVD apparatus of the present invention, the distance between the substrate 4 and the filament 2 is preferably set to any value within the range of 1 to 7 mm, and set to any value within the range of 2 to 5 mm. More preferably. By setting the distance between the substrate 4 and the filament 2 to a value within a predetermined range, a diamond thin film can be reliably formed at a high film formation rate, for example, a film formation rate exceeding 1 μm / hour. it can.
また、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置においては、基材台３が、フィラメント２の位置に対して相対的に移動可能なように構成されることが好ましい。通常、熱フィラメントＣＶＤ装置による成膜の際には、成膜用ガスの導入後、フィラメント２の温度を所定の温度まで上昇させた後に成膜を開始する。基材台３がフィラメント２の位置に対して相対的に移動可能であることにより、フィラメント２の温度が所定の温度まで上昇した後に、基材台３を移動して、フィラメント２／基材４間の距離を、所定の成膜速度が得られる程度に小さくする。この結果、基材４の表面に、所定の温度に達したフィラメント２によって成膜を開始することができる。 In the hot filament CVD apparatus of the present invention, it is preferable that the base 3 is configured to be movable relative to the position of the filament 2. Normally, when forming a film with a hot filament CVD apparatus, after the film forming gas is introduced, the temperature of the filament 2 is raised to a predetermined temperature, and then the film formation is started. Since the base 3 is movable relative to the position of the filament 2, the base 2 is moved after the temperature of the filament 2 rises to a predetermined temperature, and the filament 2 / base 4 is moved. The distance between them is reduced to such an extent that a predetermined film formation rate can be obtained. As a result, film formation can be started on the surface of the substrate 4 by the filament 2 having reached a predetermined temperature.
フィラメント２の位置に対する基材台３の相対的な移動は、基材台３が移動機構を有することにより、固定されたフィラメント２に対して基材台３が移動するように構成することができる。また、相対的な移動は、固定された基材台３に対してフィラメント２が移動するように構成することができる。また、相対的な移動は、基材台３及びフィラメント２の両方が移動するように構成することにより、固定されたフィラメント２に対して基材台３が移動するように構成することができる。一般的にフィラメント２は細くて破壊しやすいため、相対的な移動の際には、フィラメント２を移動させず、基材台３を移動させることが好ましい。したがって、基材台３が移動機構を有し、固定されたフィラメント２に対して基材台３が移動するような構成とすることが好ましい。基材台３の移動は、垂直方向及び／又は水平方向に移動するように構成することができる。装置構造を簡単にする点から、基材台３の移動は、垂直方向に移動するように構成することが好ましい。 The relative movement of the base 3 with respect to the position of the filament 2 can be configured such that the base 3 moves relative to the fixed filament 2 by the base 3 having a moving mechanism. . Further, the relative movement can be configured such that the filament 2 moves with respect to the fixed base 3. Moreover, relative movement can be comprised so that the base material stand 3 may move with respect to the fixed filament 2 by comprising so that both the base material stand 3 and the filament 2 may move. In general, since the filament 2 is thin and easily broken, it is preferable to move the base 3 without moving the filament 2 during relative movement. Therefore, it is preferable that the base 3 has a moving mechanism so that the base 3 moves relative to the fixed filament 2. The movement of the base 3 can be configured to move in the vertical direction and / or the horizontal direction. From the viewpoint of simplifying the apparatus structure, it is preferable that the base 3 is moved in the vertical direction.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、少なくとも一本のフィラメント２を固定するための、少なくとも一対のフィラメント固定部４０を含むことができる。 The hot filament CVD apparatus of the present invention can include at least a pair of filament fixing portions 40 for fixing at least one filament 2.
図１に側面模式図を示すように、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂは、少なくとも一本のフィラメント２を二箇所で固定する。図３に、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂにより１５本のフィラメント２を固定した例の上面模式図を示す。フィラメント２の固定は、例えば、二つの固定部材の間にフィラメント２を挟み、ボルトなどにより締めこむことにより行うことができる。また、一対のフィラメント固定部４０の材料を導電性材料とすることにより、フィラメント固定部４０ａ及び４０ｂがフィラメント２への電力供給のための電極を兼ねることができる。なお、フィラメント２の固定は、必ずしもフィラメント２の両端部で行う必要はなく、例えば中央付近の２点を固定することもできる。しかしながら、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂが電極を兼ねることを考慮すると、基材４の表面での成膜面積を大きくすることができる点から、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂによるフィラメント２の固定は、フィラメント２の両端部で行うことが好ましい。 As shown in the schematic side view of FIG. 1, the pair of filament fixing portions 40a and 40b fix at least one filament 2 at two locations. FIG. 3 shows a schematic top view of an example in which 15 filaments 2 are fixed by a pair of filament fixing portions 40a and 40b. The filament 2 can be fixed, for example, by sandwiching the filament 2 between two fixing members and fastening with a bolt or the like. Further, by using a conductive material as the material of the pair of filament fixing portions 40, the filament fixing portions 40a and 40b can also serve as electrodes for supplying power to the filament 2. Note that the filament 2 is not necessarily fixed at both ends of the filament 2, and for example, two points near the center can be fixed. However, considering that the pair of filament fixing portions 40a and 40b also serve as electrodes, the film formation area on the surface of the substrate 4 can be increased, and therefore the filament 2 by the pair of filament fixing portions 40a and 40b can be increased. Fixing is preferably performed at both ends of the filament 2.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、複数対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂを有し、各々のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの対が、一本以上のフィラメント２を固定するように構成することもできる。例えば、基材４の表面の中央付近と、両端付近でフィラメント２の温度を調整して成膜する必要がある場合などには、図４に示すように、基材４の表面の中央付近のフィラメント２を固定するためのフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの対と、基材４の表面の両端付近のフィラメント２を固定するための二対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂとを設け、各々のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの対に独立に電力を印加することにより、フィラメント２の温度を調整しながら成膜することができる。図４に示す例では、両端の二対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂに各々３本のフィラメント２を固定し、中央のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂに９本のフィラメント２を固定した構成を示している。図４に示す例では、それぞれのフィラメント固定４０ｂには、それぞれに固定されたフィラメント２の温度変化に応じてそれぞれ独立して移動可能なように、フィラメント固定部移動機構がそれぞれ設置されている。なお、フィラメント固定部４０の対の数に応じて、複数のフィラメント２の弛みを測定できるように、複数の電磁波測定機構３２を配置することができる。 The hot filament CVD apparatus of the present invention can have a plurality of pairs of filament fixing portions 40a and 40b, and each pair of filament fixing portions 40a and 40b can be configured to fix one or more filaments 2. . For example, when it is necessary to form a film by adjusting the temperature of the filament 2 near the center of the surface of the base material 4 and near both ends, as shown in FIG. A pair of filament fixing portions 40a and 40b for fixing the filament 2 and two pairs of filament fixing portions 40a and 40b for fixing the filament 2 near both ends of the surface of the substrate 4 are provided. By independently applying electric power to the pair of portions 40a and 40b, the film can be formed while adjusting the temperature of the filament 2. The example shown in FIG. 4 shows a configuration in which three filaments 2 are fixed to two pairs of filament fixing portions 40a and 40b at both ends, and nine filaments 2 are fixed to the central filament fixing portions 40a and 40b. Yes. In the example shown in FIG. 4, each filament fixing unit 40 b is provided with a filament fixing unit moving mechanism so that each filament fixing unit 40 b can move independently according to a temperature change of the filament 2 fixed to each filament fixing unit 40 b. In addition, according to the number of pairs of filament fixing parts 40, the several electromagnetic wave measurement mechanism 32 can be arrange | positioned so that the slack of the several filament 2 can be measured.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、少なくとも一対のフィラメント固定部４０の間の距離を変えるためのフィラメント固定部移動機構を含むことができる。 The hot filament CVD apparatus of the present invention can include a filament fixing portion moving mechanism for changing the distance between at least a pair of filament fixing portions 40.
従来の熱フィラメントＣＶＤ装置では、フィラメント２の両端をフィラメント固定部４０によって一定の距離に固定する方法を採用することができる。しかしながら、この方法では、フィラメント２は熱膨張に伴った伸びが発生するので、フィラメント２中央付近のフィラメント２／基材４間の距離と、フィラメント２両端付近のフィラメント２／基材４間の距離とは異なる距離になってしまう。また、熱フィラメントＣＶＤ法による薄膜の形成速度（成膜速度）は、フィラメント２／基材４間の距離に依存する。さらに、成膜が終了した後に、フィラメント２の温度を下げるときには、フィラメント２が収縮する。熱フィラメントＣＶＤ装置が、フィラメント固定部移動機構を備えることにより、フィラメント固定部４０の間の距離を変えることができる。そのためフィラメント２の温度変化に伴う伸び又は収縮を補償することができる。一対のフィラメント固定部４０の間の距離を変えるために、フィラメント固定部４０の一つ又は両方にフィラメント固定部移動機構を備えることができる。コストの点から、一対のフィラメント固定部４０のうち、片方のフィラメント固定部４０にフィラメント固定部移動機構を備えることが好ましい。 In a conventional hot filament CVD apparatus, a method of fixing both ends of the filament 2 at a certain distance by the filament fixing unit 40 can be adopted. However, in this method, since the filament 2 is stretched due to thermal expansion, the distance between the filament 2 / base 4 near the center of the filament 2 and the distance between the filament 2 / base 4 near both ends of the filament 2 It will be a different distance. The thin film formation rate (film formation rate) by the hot filament CVD method depends on the distance between the filament 2 and the substrate 4. Further, when the temperature of the filament 2 is lowered after the film formation is completed, the filament 2 contracts. By providing the filament fixing unit moving mechanism in the hot filament CVD apparatus, the distance between the filament fixing units 40 can be changed. Therefore, the elongation or shrinkage accompanying the temperature change of the filament 2 can be compensated. In order to change the distance between the pair of filament fixing portions 40, one or both of the filament fixing portions 40 may be provided with a filament fixing portion moving mechanism. From the viewpoint of cost, it is preferable that one of the pair of filament fixing portions 40 includes a filament fixing portion moving mechanism in one filament fixing portion 40.
図１に示す例では、フィラメント固定部用連結シャフト４１及びフィラメント固定部用駆動装置４２を含むフィラメント固定部移動機構を示している。フィラメント固定部用連結シャフト４１は、一方のフィラメント固定部４０ｂに取り付けられる。また、フィラメント固定部用連結シャフト４１は、成膜室１の側壁の真空シール部１８を貫通して、外部のフィラメント固定部用駆動装置４２へと連結されている。フィラメント固定部用駆動装置４２としては、手動式のマイクロメータ又は電動式のアクチュエータなどを用いることができる。フィラメント固定部移動機構のフィラメント固定部用駆動装置４２を動作させることにより、フィラメント固定部４０ｂを水平方向に移動させて、フィラメント２の温度変化に伴う伸び又は収縮を補償することができる。なお、図１に示す例では、フィラメント固定部４０ｂがフィラメント２用の電極を兼ねているため、フィラメント固定部用連結シャフト４１に電気絶縁部１６が配置されている。なお、フィラメント固定部用駆動装置４２として、外部からの信号により駆動可能な電動式のアクチュエータなどを用いる場合には、フィラメント固定部用駆動装置４２を成膜室１の内部に配置することも可能である。 In the example shown in FIG. 1, a filament fixing part moving mechanism including a filament fixing part connecting shaft 41 and a filament fixing part driving device 42 is shown. The filament fixing part connecting shaft 41 is attached to one filament fixing part 40b. The filament fixing portion connecting shaft 41 passes through the vacuum seal portion 18 on the side wall of the film forming chamber 1 and is connected to an external filament fixing portion driving device 42. As the filament fixing unit driving device 42, a manual micrometer, an electric actuator, or the like can be used. By operating the filament fixing portion driving device 42 of the filament fixing portion moving mechanism, the filament fixing portion 40b can be moved in the horizontal direction to compensate for the expansion or contraction accompanying the temperature change of the filament 2. In the example shown in FIG. 1, since the filament fixing portion 40 b also serves as the electrode for the filament 2, the electrical insulating portion 16 is disposed on the filament fixing portion connecting shaft 41. When an electric actuator that can be driven by an external signal is used as the filament fixing unit driving device 42, the filament fixing unit driving device 42 can be arranged inside the film forming chamber 1. It is.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置には、少なくとも一本のフィラメント２の伸縮状態の変化を検出するためのフィラメント２の伸縮状態検出手段を含むことが好ましい。フィラメント２の伸縮状態検出手段は、少なくとも一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の略中央の検出領域３０においてフィラメント２からの少なくとも一つの波長の電磁波の強度を測定するための電磁波測定機構３２を含む。また、伸縮状態検出手段は、電磁波測定機構３２によって測定された電磁波の強度変化又は電磁波の波長、強度若しくはそれらの組み合せの測定結果に基づいてフィラメント２の伸縮状態の変化を検出する。 The hot filament CVD apparatus of the present invention preferably includes means for detecting the expansion / contraction state of the filament 2 for detecting a change in the expansion / contraction state of at least one filament 2. The expansion / contraction state detection means of the filament 2 includes an electromagnetic wave measurement mechanism 32 for measuring the intensity of the electromagnetic wave having at least one wavelength from the filament 2 in the detection region 30 at approximately the center between at least the pair of filament fixing portions 40a and 40b. Including. The expansion / contraction state detecting means detects the change in the expansion / contraction state of the filament 2 based on the measurement result of the intensity change of the electromagnetic wave measured by the electromagnetic wave measurement mechanism 32 or the wavelength, intensity or combination of the electromagnetic waves.
なお、検出領域３０（検出領域３０ａ）からの電磁波の測定は、電磁波測定機構３２ａにより、フィラメント２に対して垂直に、水平方向に行うことができるがこれに限られない。電磁波測定機構３２ｂによる検出領域３０ｂの測定は、複数のフィラメント２が配置されている平面に対して斜め方向から行うこともできる。斜め方向からの測定により、最も外側のフィラメント２ａ以外のフィラメント２ｂの測定も可能となる。この測定方法は、図４に示すように、複数の対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂを有することにより、複数のフィラメント固定部移動機構を独立して移動可能な構成とする場合に好ましく用いることができる。 Measurement of electromagnetic waves from the detection region 30 (detection region 30a) can be performed in the horizontal direction perpendicular to the filament 2 by the electromagnetic wave measurement mechanism 32a, but is not limited thereto. The measurement of the detection region 30b by the electromagnetic wave measurement mechanism 32b can also be performed from an oblique direction with respect to the plane on which the plurality of filaments 2 are arranged. Measurement from an oblique direction enables measurement of the filament 2b other than the outermost filament 2a. As shown in FIG. 4, this measurement method is preferably used when a plurality of filament fixing part moving mechanisms can be independently moved by having a plurality of pairs of filament fixing parts 40a and 40b. it can.
検出領域３０は、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の略中央に位置していることが好ましい。フィラメント２の温度変化による変形の大きさは、フィラメント２の中央付近が一番大きいため、フィラメント２の変形をより高い精度で測定することができるためである。略中央とは、具体的には、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の距離Ｌとして、中央（端からＬ／２の位置）を中心に長さＬ／２の範囲の任意の位置のことであり、好ましくは、Ｌ／５の範囲の任意の位置のことであり、より好ましくは、Ｌ／１０の範囲の任意の位置のことである。また、検出領域３０は、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の中央（端からＬ／２の位置）を含む領域であることが好ましい。また、検出領域３０の上下方向の位置は、フィラメント２が一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂに直線状に懸架されたときのフィラメント２が電磁波測定機構３２による測定の視野に含まれる領域である。 It is preferable that the detection region 30 is located at the approximate center between the pair of filament fixing portions 40a and 40b. This is because the deformation due to the temperature change of the filament 2 is the largest near the center of the filament 2 and the deformation of the filament 2 can be measured with higher accuracy. Specifically, the approximate center is a distance L between the pair of filament fixing portions 40a and 40b, which is an arbitrary position within a range of length L / 2 around the center (position L / 2 from the end). Preferably, it is an arbitrary position in the range of L / 5, and more preferably an arbitrary position in the range of L / 10. The detection region 30 is preferably a region including the center (position L / 2 from the end) between the pair of filament fixing portions 40a and 40b. The vertical position of the detection region 30 is a region where the filament 2 is included in the field of view of measurement by the electromagnetic wave measurement mechanism 32 when the filament 2 is suspended linearly between the pair of filament fixing portions 40a and 40b.
検出領域３０の形状は、円形、矩形等の任意の形状から適宜選択することができる。基本的には、電磁波測定機構３２による測定の視野を検出領域３０とすることができる。 The shape of the detection region 30 can be appropriately selected from arbitrary shapes such as a circle and a rectangle. Basically, the field of view of measurement by the electromagnetic wave measurement mechanism 32 can be the detection region 30.
検出領域３０の大きさは、少なくともフィラメント２の一部が入る大きさであれば良い。電磁波測定機構３２の視野に依存する。具体的には、検出領域３０は、直径０．１〜３ｍｍ、好ましくは０．２〜２ｍｍ、より好ましくは０．３〜１ｍｍの円形、又は一辺の長さが、０．１〜３ｍｍ、好ましくは０．２〜２ｍｍ、より好ましくは０．３〜１ｍｍの矩形であることができる。また、検出領域３０は、直径又は一辺の長さが、フィラメント２の直径の１〜１０倍、好ましくは２〜８倍の円形又は矩形であることが好ましい。なお、検出領域３０の形状は、円形及び矩形に限られず、任意の形状であることができる。また、測定は大きな視野に対して行って、その一部を検出領域３０として定めて、フィラメント２の弛みを判断するための領域とすることができる。また、例えば、ピンホールのような光学的な絞り（微小な開口部）によって、検出領域３０の大きさを制限し、好ましい大きさの検出領域３０を得ることができる。 The size of the detection region 30 may be a size that allows at least a part of the filament 2 to enter. It depends on the field of view of the electromagnetic wave measurement mechanism 32. Specifically, the detection region 30 has a diameter of 0.1 to 3 mm, preferably 0.2 to 2 mm, more preferably 0.3 to 1 mm, or a side length of 0.1 to 3 mm, preferably Can be a rectangle of 0.2 to 2 mm, more preferably 0.3 to 1 mm. Moreover, it is preferable that the detection region 30 is a circle or a rectangle whose diameter or length of one side is 1 to 10 times, preferably 2 to 8 times the diameter of the filament 2. Note that the shape of the detection region 30 is not limited to a circle and a rectangle, and may be an arbitrary shape. Further, the measurement can be performed on a large field of view, and a part of the measurement can be defined as the detection region 30 to be a region for judging the looseness of the filament 2. In addition, for example, the size of the detection region 30 can be limited by an optical stop (a minute opening) such as a pinhole, and the detection region 30 having a preferable size can be obtained.
電磁波測定機構３２としては、放射電磁波を測定し温度情報に変換する放射温度計又は反射電磁波を測定するための撮像装置を用いることができる。 As the electromagnetic wave measuring mechanism 32, a radiation thermometer that measures a radiated electromagnetic wave and converts it into temperature information or an imaging device for measuring a reflected electromagnetic wave can be used.
電磁波測定機構３２は、成膜室１の外部又は内部に配置することができる。電磁波測定機構３２が、成膜室１の内部に配置される場合には、電磁波測定機構３２へ成膜中の薄膜が堆積し、及び電磁波測定機構３２からの汚染粒子が成膜室１へ放出される恐れがあるという問題がある。この問題を避けるため、放射電磁波は、放射電磁波に対して実質的に透明な監視窓１０を介して、成膜室１の外部の電磁波測定機構３２によって測定することが好ましい。 The electromagnetic wave measuring mechanism 32 can be disposed outside or inside the film forming chamber 1. When the electromagnetic wave measuring mechanism 32 is disposed inside the film forming chamber 1, a thin film being formed is deposited on the electromagnetic wave measuring mechanism 32, and contaminant particles from the electromagnetic wave measuring mechanism 32 are released to the film forming chamber 1. There is a problem of being feared. In order to avoid this problem, the radiated electromagnetic wave is preferably measured by the electromagnetic wave measuring mechanism 32 outside the film forming chamber 1 through the monitoring window 10 that is substantially transparent to the radiated electromagnetic wave.
電磁波測定機構３２として用いることのできる放射温度計は、フィラメント２の温度上昇に伴うフィラメント２からの黒体輻射による放出電磁波の所定の波長の強度を測定し、温度に換算する。したがって、検出領域３０にフィラメント２が存在するか否かは、放射温度計の温度変化から認識することができる。また、外部光をフィラメント２に照射し、フィラメント２からの反射光（反射電磁波）を測定するための撮像装置を用いることができる。また、撮像装置により、フィラメント２の形状を撮像し、フィラメント２が弛んだ状態であるかどうかを判断することもできる。撮像装置を用いる場合には、検出領域３０全体にわたって、フィラメント２からの電磁波の波長、強度又はそれらの組み合せを測定することができる。その結果、検出領域３０全体の光学的画像イメージを得ることができる。 The radiation thermometer that can be used as the electromagnetic wave measuring mechanism 32 measures the intensity of a predetermined wavelength of the electromagnetic wave emitted by the black body radiation from the filament 2 as the temperature of the filament 2 rises, and converts it to a temperature. Therefore, whether or not the filament 2 is present in the detection region 30 can be recognized from the temperature change of the radiation thermometer. An imaging device for irradiating the filament 2 with external light and measuring the reflected light (reflected electromagnetic wave) from the filament 2 can be used. In addition, the shape of the filament 2 can be imaged by the imaging device to determine whether the filament 2 is in a slack state. When using an imaging device, the wavelength, intensity, or a combination of electromagnetic waves from the filament 2 can be measured over the entire detection region 30. As a result, an optical image image of the entire detection region 30 can be obtained.
少なくとも一つの波長の電磁波とは、電磁波測定機構３２において測定可能な波長のうちの少なくとも一つのことである。例えば、放射温度計の場合、黒体輻射の電磁波のうち、所定の波長の電磁波の強度を測定することにより、測定対象物の温度に換算することができる。また、光学的測定法により電磁波測定を行う場合には、照射電磁波の波長の反射電磁波を測定することができる。 The electromagnetic wave of at least one wavelength is at least one of the wavelengths that can be measured by the electromagnetic wave measurement mechanism 32. For example, in the case of a radiation thermometer, by measuring the intensity of an electromagnetic wave having a predetermined wavelength among the electromagnetic waves of black body radiation, it can be converted into the temperature of the measurement object. Moreover, when measuring electromagnetic waves by an optical measurement method, the reflected electromagnetic waves having the wavelength of the irradiated electromagnetic waves can be measured.
また、電磁波測定機構３２による測定は、大きな視野、例えば直径５〜５０ｍｍ程度の視野に対して光学的イメージの測定を行い、その一部を検出領域３０として定めて、放射温度計によって検出領域３０の温度を測定し、フィラメント２の弛みを判断するための領域とすることができる。 In the measurement by the electromagnetic wave measuring mechanism 32, an optical image is measured with respect to a large visual field, for example, a visual field having a diameter of about 5 to 50 mm. It can be set as the area | region for measuring the temperature of this and judging the slack of the filament 2.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置に用いる電磁波測定機構３２の電磁波としては、可視又は赤外領域の波長の光に相当する電磁波を用いることが好ましい。 As the electromagnetic wave of the electromagnetic wave measuring mechanism 32 used in the hot filament CVD apparatus of the present invention, it is preferable to use an electromagnetic wave corresponding to light having a wavelength in the visible or infrared region.
検出領域３０にフィラメント２が存在するか否かは、電磁波測定機構３２によって測定される電磁波の強度変化によって判断することができる。例えば放射温度計を用いる場合、検出領域３０に存在するフィラメント２を加熱することにより、放射温度計の測定値が高温を示す。フィラメント２が高温になり弛みが生じると、フィラメント２が検出領域３０から外れてしまい、放射温度計の測定値が急激に低下する。この結果、フィラメント２が弛んでいる状態であると認識することができる。このようにして、測定された電磁波の強度変化に基づいてフィラメント２の伸縮状態の変化を検出することができる。 Whether or not the filament 2 is present in the detection region 30 can be determined by a change in the intensity of the electromagnetic wave measured by the electromagnetic wave measurement mechanism 32. For example, when using a radiation thermometer, the measured value of the radiation thermometer shows high temperature by heating the filament 2 existing in the detection region 30. When the filament 2 becomes high temperature and slack occurs, the filament 2 is detached from the detection region 30, and the measurement value of the radiation thermometer rapidly decreases. As a result, it can be recognized that the filament 2 is in a slack state. In this way, a change in the stretched state of the filament 2 can be detected based on the measured intensity change of the electromagnetic wave.
また、図１に示すように、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、電磁波の強度変化に基づいて、フィラメント２の伸縮状態の変化を補償するようにフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の距離を変えるように構成される自動距離可変機構３５をさらに含むことが好ましい。自動距離可変機構３５としては、コンピューターなどの情報処理装置を用いることができる。電磁波測定機構３２によって測定される電磁波の強度変化の情報は、信号線３６によって、自動距離可変機構３５に入力される。自動距離可変機構３５は、電磁波測定機構３２からの信号に基づき、自動的に検出領域３０にフィラメント２が存在するか否かを判定する。自動距離可変機構３５が、検出領域３０にフィラメント２が存在しないと判定した場合には、フィラメント２の伸縮状態の変化を補償するように、フィラメント固定部移動機構のフィラメント固定部用駆動装置４２を自動的に駆動するよう構成することができる。すなわち、自動距離可変機構３５が、検出領域３０にフィラメント２が存在しないと判定した場合には、自動距離可変機構３５は、フィラメント固定部用駆動装置４２に対して、フィラメント２の弛みを伸ばす方向にフィラメント固定部４０ｂを移動するように、信号線３７を介して信号を送る。なお、信号の送受信には無線を用いることもできる。このようにして、自動距離可変機構３５からの所定の信号により、フィラメント固定部用駆動装置４２を駆動することができる。さらに、自動距離可変機構３５は、再度、検出領域３０にフィラメント２が存在するようになったかを判定し、検出領域３０にフィラメント２が存在するようになった場合には、フィラメント固定部用駆動装置４２を自動的に停止するよう構成することができる。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置が、自動距離可変機構３５を含むことにより、人為的な操作を介する必要なく、フィラメント２の伸縮状態の変化の補償を速やかにかつ確実に行うことができる。自動距離可変機構３５は、成膜室１の内部に配置することが可能である。その場合、成膜室１の内部の汚染防止及びフィラメント固定部移動機構への薄膜材料の堆積による故障を防止する点から、自動距離可変機構３５の内部の駆動部等は、成膜室１の雰囲気に対して気密な構造であることが好ましい。 Moreover, as shown in FIG. 1, the hot filament CVD apparatus of the present invention changes the distance between the filament fixing portions 40a and 40b so as to compensate for the change in the expansion / contraction state of the filament 2 based on the change in the intensity of the electromagnetic wave. It is preferable to further include an automatic distance varying mechanism 35 configured as described above. As the automatic distance variable mechanism 35, an information processing device such as a computer can be used. Information on the intensity change of the electromagnetic wave measured by the electromagnetic wave measurement mechanism 32 is input to the automatic distance variable mechanism 35 through the signal line 36. The automatic distance varying mechanism 35 automatically determines whether or not the filament 2 exists in the detection region 30 based on the signal from the electromagnetic wave measuring mechanism 32. When the automatic distance variable mechanism 35 determines that the filament 2 does not exist in the detection region 30, the filament fixing unit drive device 42 of the filament fixing unit moving mechanism is set so as to compensate for the change in the expansion / contraction state of the filament 2. It can be configured to drive automatically. That is, when the automatic distance variable mechanism 35 determines that the filament 2 does not exist in the detection region 30, the automatic distance variable mechanism 35 extends the slack of the filament 2 with respect to the filament fixing unit driving device 42. A signal is sent via the signal line 37 so as to move the filament fixing part 40b. Note that radio can also be used for signal transmission and reception. In this manner, the filament fixing portion driving device 42 can be driven by a predetermined signal from the automatic distance varying mechanism 35. Further, the automatic distance changing mechanism 35 determines again whether the filament 2 is present in the detection region 30. If the filament 2 is present in the detection region 30, the filament fixing unit drive is performed. The device 42 can be configured to automatically stop. By including the automatic distance variable mechanism 35 in the hot filament CVD apparatus of the present invention, it is possible to quickly and reliably compensate for the change in the expansion / contraction state of the filament 2 without the need for manual operation. The automatic distance varying mechanism 35 can be disposed inside the film forming chamber 1. In that case, in order to prevent contamination inside the film forming chamber 1 and failure due to the deposition of the thin film material on the filament fixing unit moving mechanism, the driving unit and the like inside the automatic distance variable mechanism 35 are connected to the film forming chamber 1. A structure that is airtight to the atmosphere is preferred.
フィラメント固定部用駆動装置４２としてマイクロメータを用いる場合、例えば、マイクロメータを、ステッピングモータ等の外部からの所定の信号により駆動する装置に接続することができる。自動距離可変機構３５からの信号線３７を介した所定の信号によってステッピングモータを駆動させることにより、マイクロメータを回転させ、自動的にフィラメント２の伸縮状態の変化を補償することができる。また、フィラメント固定部用駆動装置４２としては、アクチュエータなど、外部からの所定の信号により駆動可能な駆動装置を用いることもできる。その場合にも、自動距離可変機構３５からの信号線３７を介した所定の信号によって、アクチュエータなど駆動装置を駆動させることにより、自動的にフィラメント２の伸縮状態の変化を補償することができる。 When a micrometer is used as the filament fixing unit driving device 42, for example, the micrometer can be connected to a device driven by a predetermined signal from the outside such as a stepping motor. By driving the stepping motor with a predetermined signal from the automatic distance varying mechanism 35 via the signal line 37, the micrometer can be rotated to automatically compensate for the change in the expansion / contraction state of the filament 2. Further, as the filament fixing unit driving device 42, a driving device that can be driven by a predetermined signal from the outside, such as an actuator, can be used. Even in that case, it is possible to automatically compensate for a change in the expansion / contraction state of the filament 2 by driving a driving device such as an actuator by a predetermined signal from the automatic distance varying mechanism 35 via the signal line 37.
上述の伸縮状態検出手段によって、フィラメント２の伸縮状態の変化を検出することができる。 A change in the expansion / contraction state of the filament 2 can be detected by the above-described expansion / contraction state detection means.
図１に示すように本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、ガス供給手段（成膜用ガス供給装置２０）を有する。ガス供給手段（図１の成膜用ガス供給装置２０参照）は、成膜室１内に原料ガス及びキャリアガスを供給する。図２に、ガス供給手段の一例として、成膜用ガス供給装置２０を示す。成膜用ガス供給装置２０は、成膜用ガス配管によって、成膜室１の成膜用ガス導入口１４へと接続される。成膜用ガス配管には、成膜用ガスの通過を制御・遮断するための開閉弁を適宜設置することができる。成膜用ガス供給装置２０により、所定の成膜用ガスを所定の流量で成膜室１へと導入することができる。 As shown in FIG. 1, the hot filament CVD apparatus of the present invention has a gas supply means (deposition gas supply apparatus 20). The gas supply means (see the film forming gas supply device 20 in FIG. 1) supplies the source gas and the carrier gas into the film forming chamber 1. FIG. 2 shows a film-forming gas supply device 20 as an example of the gas supply means. The film forming gas supply device 20 is connected to the film forming gas inlet 14 of the film forming chamber 1 by a film forming gas pipe. An on-off valve for controlling / blocking the passage of the film forming gas can be appropriately installed in the film forming gas pipe. A predetermined film forming gas can be introduced into the film forming chamber 1 at a predetermined flow rate by the film forming gas supply device 20.
ガス供給手段（成膜用ガス供給装置２０）は、キャリアガスの流量及び原料ガスの流量を制御する流量制御機構を含む。図２に示す成膜用ガス供給装置２０では、流量制御機構として、キャリアガス流量制御器６２及び原料ガス流量制御器５２を示している。原料ガス流量制御器５２は、原料ガス貯留器５０から供給される原料ガスの流量を制御することができる。また、キャリアガス流量制御器６２は、キャリアガス貯留器６０から供給されるキャリアガスの流量を制御することができる。また、キャリアガス流量制御器６２及び原料ガス流量制御器５２の両方を適切に制御することにより、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率が所望の比率となるようにすることができる。 The gas supply means (deposition gas supply apparatus 20) includes a flow rate control mechanism that controls the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the source gas. In the film forming gas supply device 20 shown in FIG. 2, a carrier gas flow rate controller 62 and a source gas flow rate controller 52 are shown as flow rate control mechanisms. The source gas flow rate controller 52 can control the flow rate of the source gas supplied from the source gas reservoir 50. Further, the carrier gas flow rate controller 62 can control the flow rate of the carrier gas supplied from the carrier gas reservoir 60. Further, by appropriately controlling both the carrier gas flow rate controller 62 and the source gas flow rate controller 52, the ratio of the source gas flow rate to the carrier gas flow rate can be set to a desired ratio.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置では、流量制御機構が、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率が５〜２３％、好ましくは５〜９．５％の範囲内となるように、キャリアガスの流量及び原料ガスの流量を制御可能であることが好ましい。キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率を所定の範囲内となるように設定してダイヤモンド薄膜の成膜を行うことにより、ダイヤモンド薄膜を低コストで成膜することができる。具体的には、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置により、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができる。 In the hot filament CVD apparatus of the present invention, the flow rate control mechanism is such that the ratio of the source gas flow rate to the carrier gas flow rate is in the range of 5 to 23%, preferably 5 to 9.5%. It is preferable that the flow rate and the flow rate of the source gas can be controlled. By forming the diamond thin film by setting the ratio of the flow rate of the source gas to the flow rate of the carrier gas to be within a predetermined range, the diamond thin film can be formed at low cost. Specifically, the hot filament CVD apparatus of the present invention can form a diamond thin film having a uniform film thickness at a relatively safe and high film formation rate.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、成膜中の成膜室１内部のガス分析を可能にするためのガス分析装置を含むことが好ましい。成膜中の成膜室１内部には、高熱のフィラメント２により原料ガスが分解するため、様々なガス種が存在する。成膜中のガス種の種類及び存在比をモニターすることにより、ダイヤモンド薄膜の成膜が適切に行われているかどうかを、判断することができる。もし、ダイヤモンド薄膜の成膜が適切に行われていないと判断した場合には、成膜条件、例えばフィラメント２に印加する電力、及び／又は成膜用ガス（原料ガス及びキャリアガス）の流量などを変化させることにより、成膜の状態を制御することができる。なお、ガス分析装置としては、四重極形質量分析計を好ましく用いることができる。 The hot filament CVD apparatus of the present invention preferably includes a gas analyzer for enabling gas analysis inside the film formation chamber 1 during film formation. Since the source gas is decomposed by the high-heat filament 2 in the film formation chamber 1 during film formation, various gas species exist. By monitoring the type and abundance ratio of the gas species during film formation, it can be determined whether or not the diamond thin film is properly formed. If it is determined that the diamond thin film is not properly formed, the film forming conditions, such as the power applied to the filament 2, and / or the flow rate of the film forming gas (source gas and carrier gas), etc. By changing the value, the state of film formation can be controlled. As the gas analyzer, a quadrupole mass spectrometer can be preferably used.
図１に示すように本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、フィラメント２に電力を印加するための電源２４を有することができる。電源２４は、電流導入ケーブル１２によって、成膜室１の壁に取り付けられた電流導入ポート１３を介して、フィラメント２の電極（フィラメント固定部４０ａ及び４０ｂ）に電気的に接続される。成膜室１の壁への電流の流出を避けるため、フィラメント２固定部用支柱５及びフィラメント固定部用連結シャフト４１等には、電気絶縁部１６が配置されて電気的に絶縁される。 As shown in FIG. 1, the hot filament CVD apparatus of the present invention can have a power supply 24 for applying power to the filament 2. The power source 24 is electrically connected to the electrodes (filament fixing portions 40 a and 40 b) of the filament 2 by the current introduction cable 12 through the current introduction port 13 attached to the wall of the film forming chamber 1. In order to avoid the outflow of current to the wall of the film forming chamber 1, the electrical insulating portion 16 is disposed on the filament 2 fixing portion support column 5 and the filament fixing portion connecting shaft 41 to be electrically insulated.
熱フィラメントＣＶＤ装置の流量制御機構では、フィラメント２に通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量（ｍｌ／分）が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）、より好ましくは３〜４０ｍｌ／（分・ＫＷ）又は１０〜３０ｍｌ／（分・ＫＷ）、さらに好ましくは１５〜２５ｍｌ／（分・ＫＷ）、特に好ましくは１５〜２０ｍｌ／（分・ＫＷ）となるように、キャリアガスの流量及び原料ガスの流量を制御可能であることが好ましい。なお、具体的には、フィラメント２に通電する電力が２４ＫＷ、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量が０．４３リットルｍｌ／分の条件で、ダイヤモンド薄膜を成膜することができる。 In the flow control mechanism of the hot filament CVD apparatus, the total flow rate (ml / min) per minute of the source gas and the carrier gas per unit power when the filament 2 is energized is 3 to 60 ml / (min · KW) More preferably 3 to 40 ml / (min · KW) or 10 to 30 ml / (min · KW), still more preferably 15 to 25 ml / (min · KW), particularly preferably 15 to 20 ml / (min · KW). Thus, it is preferable that the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the raw material gas can be controlled. Specifically, the diamond thin film can be formed under the conditions that the electric power applied to the filament 2 is 24 kW and the total flow rate of the raw material gas and the carrier gas per minute is 0.43 liter ml / min.
ダイヤモンド薄膜の成膜のためには、適切な成膜条件を選択することが重要である。本発明者らは、フィラメント２に通電する電力と、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量との関係を適切に制御することにより、少ないキャリアガスの流量にも関わらず、速い成膜速度でダイヤモンド薄膜の成膜を行うことができることを見出した。本発明者らの知見によると、フィラメント２に通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量を、上述の範囲に制御することが可能な熱フィラメントＣＶＤ装置を用いることにより、少ないキャリアガスで比較的安全に、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができる。 In order to form a diamond thin film, it is important to select appropriate film forming conditions. The present inventors appropriately control the relationship between the power supplied to the filament 2 and the total flow rate per minute of the raw material gas and the carrier gas, so that the film can be formed quickly despite the small flow rate of the carrier gas. It was found that a diamond thin film can be formed at a high speed. According to the knowledge of the present inventors, a hot filament CVD apparatus capable of controlling the total flow rate per minute of the source gas and the carrier gas per unit power when the filament 2 is energized within the above range. By using it, a diamond thin film having a uniform film thickness can be formed relatively safely with a small amount of carrier gas at a high film formation rate.
図１に示すように本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、成膜室１内の気体を外部に排出し、成膜室１を真空にするための真空ポンプ２２を有することができる。真空ポンプ２２は、排気用配管によって成膜室１の排気ガス口１５へと接続される。排気用配管には、排気速度を制御するための制御弁及び／又は真空ポンプ２２への接続をするための開閉弁等を適宜設置することができる。 As shown in FIG. 1, the hot filament CVD apparatus of the present invention can have a vacuum pump 22 for discharging the gas in the film forming chamber 1 to the outside and evacuating the film forming chamber 1. The vacuum pump 22 is connected to the exhaust gas port 15 of the film forming chamber 1 by an exhaust pipe. A control valve for controlling the exhaust speed and / or an opening / closing valve for connecting to the vacuum pump 22 can be appropriately installed in the exhaust pipe.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置の構造は、適宜、変更可能である。例えば、フィラメント２及び基材４の成膜表面は、水平方向に配置されるように説明したが、フィラメント２及び基材４の成膜表面が垂直になるように構成することもできる。また、基材４の成膜表面が下方を向き、成膜表面が下方にフィラメント２を配置するように構成することも可能である。 The structure of the hot filament CVD apparatus of the present invention can be changed as appropriate. For example, the film forming surfaces of the filament 2 and the base material 4 have been described as being arranged in the horizontal direction, but the film forming surfaces of the filament 2 and the base material 4 may be configured to be vertical. It is also possible to configure the base material 4 so that the film formation surface faces downward and the film formation surface arranges the filament 2 below.
また、基材４の表面が曲面である場合には、その曲面に沿うようにフィラメント２を配置することにより、曲面の基材４の表面に対しても薄膜を形成することができる。 Moreover, when the surface of the base material 4 is a curved surface, a thin film can be formed also on the surface of the curved base material 4 by arranging the filaments 2 along the curved surface.
本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、ダイヤモンド薄膜（多結晶ダイヤモンド薄膜）の形成のために用いることが好ましい。本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるならば、速い成膜速度で大面積に均一な膜厚のダイヤモンド薄膜を形成することができる。 The hot filament CVD apparatus of the present invention is preferably used for forming a diamond thin film (polycrystalline diamond thin film). If the hot filament CVD apparatus of the present invention is used, a diamond thin film having a uniform film thickness can be formed over a large area at a high film formation rate.
熱フィラメントＣＶＤ法によって、ダイヤモンド薄膜を形成する場合、成膜プロセス中の基材４の温度が８００〜１０００℃となる。そのため、ダイヤモンド薄膜を表面に形成するための基材４の材料として、シリコン、窒化ケイ素、アルミナ及び炭化珪素等の無機材料並びにモリブデン及び白金等の高融点金属を用いることができる。また、成膜中の基材４が高温であるため、基材４とダイヤモンド薄膜との熱膨張係数の差が大きいと、基材４の変形量が大きくなる傾向がある。基材４の材料として、ダイヤモンドの熱膨張係数に近い材料を用いたとき、変形量が小さくなり、例えば、ダイヤモンド薄膜をシール材の表面に形成する場合など、シール効果及び耐摩耗性を必要とする用途において、優れた特性を得ることができる。ダイヤモンドの熱膨張係数は、１．１×１０−６／℃であるので、基材４の材料としては、熱膨張係数が８×１０−６／℃以下であることが望ましい。なお、熱膨張係数が８×１０−６／℃以下のものであれば、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４などのセラミックス材料に限らず金属材料を用いることもできる。 When a diamond thin film is formed by hot filament CVD, the temperature of the substrate 4 during the film forming process is 800 to 1000 ° C. Therefore, as the material of the base material 4 for forming the diamond thin film on the surface, inorganic materials such as silicon, silicon nitride, alumina and silicon carbide, and refractory metals such as molybdenum and platinum can be used. In addition, since the base material 4 during film formation is hot, if the difference in thermal expansion coefficient between the base material 4 and the diamond thin film is large, the amount of deformation of the base material 4 tends to increase. When a material close to the thermal expansion coefficient of diamond is used as the material of the base material 4, the amount of deformation becomes small. For example, when a diamond thin film is formed on the surface of the sealing material, a sealing effect and wear resistance are required. In the application, excellent characteristics can be obtained. Since the thermal expansion coefficient of diamond is 1.1 × 10 −6 / ° C., the material of the base material 4 desirably has a thermal expansion coefficient of 8 × 10 −6 / ° C. or less. Incidentally, as long as the thermal expansion coefficient of 8 × 10 -6 / ℃ less, it is also possible to use metal materials not only SiC, a ceramic material such as Si 3 N 4.
次に、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the diamond thin film of this invention is demonstrated.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、上述の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いることができる。図１に示す熱フィラメントＣＶＤ装置を例に、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法について説明する。 In the method for producing a diamond thin film of the present invention, the above-described hot filament CVD apparatus can be used. Taking the hot filament CVD apparatus shown in FIG. 1 as an example, the method for producing a diamond thin film of the present invention will be described.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、フィラメント固定部４０にフィラメント２を固定する工程を含むことができる。フィラメント固定部４０及びフィラメント２については、上述した通りである。フィラメント固定部４０が、例えば、二つの固定部材の間にフィラメント２を挟むような構造の場合には、二つの固定部材の間にフィラメント２を挟み、ボルトなどにより締めこむことにより、フィラメント２を固定することができる。均一な膜厚の薄膜を成膜する点から、フィラメント２は、互いに平行に、等間隔に配置されるように固定することが好ましい。より均一な膜厚の薄膜を成膜する点から、フィラメント２の間隔は、２〜２０ｍｍであることが好ましく、５〜１５ｍｍであることがより好ましい。特に、フィラメント２の間隔が６〜１２ｍｍである場合には、優れた膜厚の均一性を得ることができる。また、図５に示すように、１μｍ／時間以上の成膜速度を得るためには、フィラメント２／基材４間の距離を１５ｍｍ以下にすることが好ましい。 The method for manufacturing a diamond thin film of the present invention can include a step of fixing the filament 2 to the filament fixing portion 40. The filament fixing part 40 and the filament 2 are as described above. For example, when the filament fixing portion 40 has a structure in which the filament 2 is sandwiched between two fixing members, the filament 2 is sandwiched between the two fixing members and tightened with a bolt or the like, thereby fixing the filament 2. Can be fixed. From the viewpoint of forming a thin film with a uniform thickness, the filaments 2 are preferably fixed so as to be arranged in parallel with each other at equal intervals. From the viewpoint of forming a thin film having a more uniform film thickness, the interval between the filaments 2 is preferably 2 to 20 mm, and more preferably 5 to 15 mm. In particular, when the distance between the filaments 2 is 6 to 12 mm, excellent film thickness uniformity can be obtained. Further, as shown in FIG. 5, in order to obtain a film forming speed of 1 μm / hour or more, it is preferable that the distance between the filament 2 and the substrate 4 is 15 mm or less.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、基材台３に基材４を配置する工程を含む。 The method for producing a diamond thin film of the present invention includes a step of disposing the base material 4 on the base material table 3.
本発明の製造方法では、基材台３に基材４を配置した後、基材４３とフィラメント２との距離（フィラメント２／基材４の距離）を２０ｍｍより大きくすることが好ましい。基材４３とフィラメント２との距離との距離は、基材台３を移動することによって、調節することができる。基材４とフィラメント２との距離が２０ｍｍ、好ましくは５０ｍｍｍ、より好ましくは１００ｍｍより大きい場合には、基材４に対する成膜速度は非常に遅いので、フィラメント２が所定の成膜温度になる前の基材４の表面への成膜を防止することができる。成膜の膜質は、フィラメント２の温度によって異なるため、良好な膜質の薄膜を得るためには、フィラメント２が所定の成膜温度になった後に、成膜を開始する必要がある。 In the manufacturing method of the present invention, it is preferable that the distance between the base material 43 and the filament 2 (the distance between the filament 2 and the base material 4) is greater than 20 mm after the base material 4 is disposed on the base material table 3. The distance between the base 43 and the filament 2 can be adjusted by moving the base 3. When the distance between the substrate 4 and the filament 2 is 20 mm, preferably 50 mm, more preferably more than 100 mm, the film formation rate on the substrate 4 is very slow. The film formation on the surface of the substrate 4 can be prevented. Since the film quality of film formation varies depending on the temperature of the filament 2, it is necessary to start film formation after the filament 2 reaches a predetermined film formation temperature in order to obtain a thin film with good film quality.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、成膜室１内に成膜用ガス（原料ガス及びキャリアガス）を導入する工程を含む。成膜用ガスは、ガス供給装置から成膜用ガス導入口１４を経由して成膜室１内に導入することができる。成膜用ガスの種類及び流量は、成膜する薄膜の種類に応じて、適宜、調整することができる。 The method for producing a diamond thin film of the present invention includes a step of introducing a film forming gas (a source gas and a carrier gas) into the film forming chamber 1. The deposition gas can be introduced into the deposition chamber 1 from the gas supply device via the deposition gas inlet 14. The type and flow rate of the film forming gas can be appropriately adjusted according to the type of thin film to be formed.
例えば、多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜するための熱フィラメントＣＶＤ法の場合、原料ガスとして、炭化水素、アルコール、アセトン等の炭素化合物ガス（原料ガス）に水素ガス（キャリアガス）を混合した混合ガス（成膜用ガス）を用いることができる。また、成膜用ガスに水蒸気、酸素、一酸化炭素などを添加することもできる。また、半導体ダイヤモンド及び導電性ダイヤモンド等の薄膜を成膜するために、ボロンや窒素などを含むドーパントガスを添加することもできる。 For example, in the case of a hot filament CVD method for forming a polycrystalline diamond thin film, a mixed gas in which hydrogen gas (carrier gas) is mixed with carbon compound gas (raw material gas) such as hydrocarbon, alcohol, and acetone as a raw material gas. (Film forming gas) can be used. In addition, water vapor, oxygen, carbon monoxide, or the like can be added to the deposition gas. In order to form a thin film of semiconductor diamond, conductive diamond, or the like, a dopant gas containing boron, nitrogen, or the like can be added.
成膜用ガスに水素ガスが含まれている場合、フィラメント２からの熱により活性化された水素は、非ダイヤモンド炭素に対して強いエッチング作用を示し、一方、ダイヤモンドに対してはほとんどエッチング作用を示さない。熱フィラメントＣＶＤ法は、この選択的エッチング作用をうまく利用して、基材４上における非ダイヤモンド成分の成長を抑え、ダイヤモンドのみを析出させることにより、ダイヤモンド薄膜を形成することができる。 When hydrogen gas is contained in the film forming gas, hydrogen activated by heat from the filament 2 exhibits a strong etching action on non-diamond carbon, while it has a little etching action on diamond. Not shown. In the hot filament CVD method, a diamond thin film can be formed by effectively utilizing this selective etching action to suppress the growth of non-diamond components on the substrate 4 and deposit only diamond.
高い品質のダイヤモンド薄膜を得ることができるため、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、原料ガスは、炭化水素ガスであり、キャリアガスが、水素ガスであることが好ましい。また、原料ガスは、メタンガスであることが、より好ましい。本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法によれば、キャリアガスとして爆発性の高い水素ガスを用いる場合であっても、水素ガスの流量を低減することができるので、より安全にダイヤモンド薄膜を成膜することができる。 Since a high-quality diamond thin film can be obtained, in the method for producing a diamond thin film of the present invention, it is preferable that the source gas is a hydrocarbon gas and the carrier gas is a hydrogen gas. The source gas is more preferably methane gas. According to the method for producing a diamond thin film of the present invention, even when highly explosive hydrogen gas is used as a carrier gas, the flow rate of hydrogen gas can be reduced, so that the diamond thin film can be formed more safely. be able to.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率が５〜２３％、好ましくは５〜９．５％の範囲内となるように設定されることが好ましい。キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率を所定の範囲内となるように設定してダイヤモンド薄膜の成膜を行うことにより、ダイヤモンド薄膜を低コストで成膜することができる。具体的には、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、水素ガスのようなキャリアガスの流量を低減することができるので、比較的安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができる。 In the method for producing a diamond thin film of the present invention, it is preferable that the ratio of the flow rate of the source gas to the flow rate of the carrier gas is set in the range of 5 to 23%, preferably 5 to 9.5%. By forming the diamond thin film by setting the ratio of the flow rate of the source gas to the flow rate of the carrier gas to be within a predetermined range, the diamond thin film can be formed at low cost. Specifically, since the flow rate of the carrier gas such as hydrogen gas can be reduced by the method for producing a diamond thin film of the present invention, the diamond thin film is relatively safe, has a high film formation speed, and has a uniform film thickness. Can be formed.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、キャリアガスの流量を、成膜室１の体積１リットル当たり、毎分１〜１７ミリリットルの範囲内とすることが好ましい。また、原料ガスの流量を、成膜室１の体積１リットル当たり、毎分０．１〜０．８ミリリットルの範囲内とすることが好ましい。キャリアガスの流量及び原料ガスの流量を、成膜室１の体積１リットル当たり所定の流量とすることにより、より安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができる。 In the method for producing a diamond thin film of the present invention, the flow rate of the carrier gas is preferably in the range of 1 to 17 milliliters per minute per liter of volume in the film forming chamber 1. The flow rate of the source gas is preferably in the range of 0.1 to 0.8 milliliter per minute per liter of the volume of the film forming chamber 1. By setting the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the source gas to a predetermined flow rate per liter of the deposition chamber 1, a diamond film having a uniform thickness can be formed at a safer and faster deposition rate. Can do.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計ガス流量を、成膜室内でダイヤモンド薄膜を成膜する面積である処理面積１ｃｍ２当たり、０．０５〜２ｍｌ／分の範囲内とすることが好ましい。合計ガス流量を、成膜室内でダイヤモンド薄膜を成膜する面積である処理面積１ｃｍ２当たり所定の流量とすることにより、より安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を製造することができる。 In the method for producing a diamond thin film of the present invention, the total gas flow rate per minute of the raw material gas and the carrier gas is set to 0.05 to 2 ml / per processing area of 1 cm 2, which is an area where the diamond thin film is formed in the film forming chamber. It is preferable to be within the range of minutes. By making the total gas flow rate a predetermined flow rate per 1 cm 2 of processing area, which is the area where the diamond thin film is formed in the film forming chamber, a diamond thin film with a uniform film thickness can be manufactured at a safer and faster film forming speed. can do.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、成膜室１の体積が１５０〜２００リットルの範囲内のいずれかの値である場合、キャリアガスを供給する流量が、毎分０．２〜３．０リットルの範囲内であり、原料ガスを供給する流量が、毎分０．０２〜０．１５リットルの範囲内であるように、ガス供給手段が原料ガス及びキャリアガスの流量を制御することが好ましい。ダイヤモンド薄膜の成膜の際に、成膜室１の体積、キャリアガスを供給する流量及び原料ガスを供給する流量を所定の範囲とすることにより、安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を、確実に成膜することができる。 In the method for producing a diamond thin film of the present invention, when the volume of the film forming chamber 1 is any value within the range of 150 to 200 liters, the flow rate of supplying the carrier gas is 0.2 to 3.0 per minute. It is preferable that the gas supply means controls the flow rates of the raw material gas and the carrier gas so that the flow rate of the raw material gas is within the range of 0.02 to 0.15 liters per minute. . When the diamond thin film is formed, the volume of the film formation chamber 1, the flow rate for supplying the carrier gas, and the flow rate for supplying the source gas are set within a predetermined range, so that the film thickness can be increased safely and at a high film formation rate. A uniform diamond thin film can be reliably formed.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、成膜室の処理面積が１００ｃｍ２以上の値であり、合計ガス流量が、処理面積１ｃｍ２当たり、毎分０．１４〜２．０ｍｌの範囲内であるように、ガス供給手段が原料ガス及びキャリアガスの流量を制御することが好ましい。ダイヤモンド薄膜の成膜の際に、処理面積１ｃｍ２当たりの原料ガス及びキャリアガスの合計ガス流量を所定の範囲とすることにより、安全で、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を、確実に製造することができる。 In the method for producing a diamond thin film of the present invention, the processing area of the film forming chamber is a value of 100 cm 2 or more, and the total gas flow rate is in the range of 0.14 to 2.0 ml per minute per 1 cm 2 of the processing area. Thus, it is preferable that the gas supply means controls the flow rates of the source gas and the carrier gas. When the diamond thin film is formed, the total gas flow rate of the source gas and the carrier gas per 1 cm 2 of processing area is set within a predetermined range, so that a diamond thin film with a uniform film thickness can be obtained at a safe and high film forming speed. Can be manufactured reliably.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、フィラメント２に通電することにより、所定の成膜温度までフィラメント２の温度を昇温させる工程を含む。電力は、所定の電源２４から電流導入ケーブル１２及び電流導入ポート１３を経由して、電極としての役割を担う一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂへと印加することができる。一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂへ印加された電力は、フィラメント２へ印加され、フィラメント２を加熱する。フィラメント２へ印加する電流及び電圧を調整することにより、所定の成膜温度までフィラメント２の温度を昇温させることができる。 The method for producing a diamond thin film of the present invention includes a step of raising the temperature of the filament 2 to a predetermined film formation temperature by energizing the filament 2. Electric power can be applied from a predetermined power source 24 via the current introduction cable 12 and the current introduction port 13 to the pair of filament fixing portions 40a and 40b serving as electrodes. The electric power applied to the pair of filament fixing portions 40a and 40b is applied to the filament 2 and heats the filament 2. By adjusting the current and voltage applied to the filament 2, the temperature of the filament 2 can be raised to a predetermined film formation temperature.
フィラメント２の温度を昇温させるときの昇温速度は、フィラメント２の伸縮状態検出手段によってフィラメント２の弛みを検出し、フィラメント固定部移動機構によって弛みを補償することができる範囲であることが必要である。具体的には、フィラメント２の昇温速度は、１５〜１２０℃／分であることが好ましく、４０〜９０℃／分であることがより好ましい。 The rate of temperature increase when the temperature of the filament 2 is raised needs to be within a range where the slackness of the filament 2 can be detected by the expansion / contraction state detecting means of the filament 2 and the slackness can be compensated for by the filament fixing portion moving mechanism. It is. Specifically, the heating rate of the filament 2 is preferably 15 to 120 ° C./min, and more preferably 40 to 90 ° C./min.
また、本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、フィラメント２に通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量（ｍｌ／分）が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）、より好ましくは１０〜３０ｍｌ／（分・ＫＷ）、さらに好ましくは１５〜２５ｍｌ／（分・ＫＷ）、特に好ましくは１５〜２０ｍｌ／（分・ＫＷ）であることが好ましい。 In the method for producing a diamond thin film of the present invention, the total flow rate (ml / min) per minute of the source gas and the carrier gas per unit power when the filament 2 is energized is 3 to 60 ml / (min · KW), more preferably 10 to 30 ml / (min · KW), further preferably 15 to 25 ml / (min · KW), and particularly preferably 15 to 20 ml / (min · KW).
ダイヤモンド薄膜の成膜のためには、適切な成膜条件を選択することが重要である。フィラメント２に通電するときの単位電力当たりの、原料ガス及びキャリアガスの１分当たりの合計流量を、上述の範囲に制御することにより、少ないキャリアガスで比較的安全に、速い成膜速度で、膜厚が均一なダイヤモンド薄膜を成膜することができる。 In order to form a diamond thin film, it is important to select appropriate film forming conditions. By controlling the total flow rate per minute of the raw material gas and the carrier gas per unit power when the filament 2 is energized to the above range, it is relatively safe with a small amount of carrier gas and at a high film formation rate. A diamond thin film having a uniform film thickness can be formed.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、基材４とフィラメント２との距離を２０ｍｍ以下にすることにより、基材４の表面に薄膜を形成する工程を含むことができる。所定の成膜温度までフィラメント２の温度を昇温させた後、基材４とフィラメント２との距離を２０ｍｍ以下にすることによって、基材４の表面に所定の薄膜の成膜を開始することができる。 The method for producing a diamond thin film of the present invention can include a step of forming a thin film on the surface of the substrate 4 by setting the distance between the substrate 4 and the filament 2 to 20 mm or less. After raising the temperature of the filament 2 to a predetermined film-forming temperature, starting the film formation of a predetermined thin film on the surface of the substrate 4 by setting the distance between the substrate 4 and the filament 2 to 20 mm or less. Can do.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、基材４とフィラメント２との距離を１〜７ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定することが好ましく、２〜５ｍｍの範囲内のいずれかの値に設定することがより好ましい。本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法において、基材４とフィラメント２との距離を所定の範囲内の値に設定することにより、速い成膜速度、例えば１μｍ／時間を超える成膜速度でのダイヤモンド薄膜の成膜を、確実に行うことができる。 In the method for producing a diamond thin film of the present invention, the distance between the substrate 4 and the filament 2 is preferably set to any value within a range of 1 to 7 mm, and is set to any value within a range of 2 to 5 mm. It is more preferable to set. In the method for producing a diamond thin film according to the present invention, the distance between the substrate 4 and the filament 2 is set to a value within a predetermined range, so that the diamond thin film can be formed at a high film formation rate, for example, a film formation rate exceeding 1 μm / hour. This film formation can be performed reliably.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、ダイヤモンド薄膜の際に、基材台３に配置された冷却手段により、基材４を冷却することが好ましい。基材４を冷却することにより、成膜に適したフィラメント２の温度による基材４の温度の上昇を低減し、ダイヤモンド薄膜のために適切な基材４の温度を得ることができる。 In the method for producing a diamond thin film of the present invention, it is preferable that the base material 4 is cooled by a cooling means disposed on the base table 3 during the diamond thin film. By cooling the base material 4, an increase in the temperature of the base material 4 due to the temperature of the filament 2 suitable for film formation can be reduced, and the temperature of the base material 4 suitable for the diamond thin film can be obtained.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、四重極形質量分析計などのガス分析装置によって、成膜中に成膜室１内部のガス分析を行うことが好ましい。成膜中の成膜室１内部には、高熱のフィラメント２により原料ガスが分解するため、様々なガス種が存在する。成膜中のガス種の種類及び存在比をモニターすることにより、ダイヤモンド薄膜の成膜が適切に行われているかどうかを、判断することができる。もし、ダイヤモンド薄膜の成膜が適切に行われていないと判断した場合には、成膜条件、例えばフィラメント２に印加する電力、及び／又は成膜用ガス（原料ガス及びキャリアガス）の流量などを変化させることにより、成膜の状態を制御することができる。 In the method for producing a diamond thin film of the present invention, it is preferable to perform a gas analysis inside the film formation chamber 1 during film formation by a gas analyzer such as a quadrupole mass spectrometer. Since the source gas is decomposed by the high-heat filament 2 in the film formation chamber 1 during film formation, various gas species exist. By monitoring the type and abundance ratio of the gas species during film formation, it can be determined whether or not the diamond thin film is properly formed. If it is determined that the diamond thin film is not properly formed, the film forming conditions, such as the power applied to the filament 2, and / or the flow rate of the film forming gas (source gas and carrier gas), etc. By changing the value, the state of film formation can be controlled.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法では、フィラメント２の伸縮状態検出手段により検出されるフィラメント２の伸縮状態の変化を補償するように、少なくとも一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の距離を変えることが好ましい。 In the method for producing a diamond thin film of the present invention, at least the distance between the pair of filament fixing portions 40a and 40b is changed so as to compensate for the change in the expansion / contraction state of the filament 2 detected by the expansion / contraction state detection means of the filament 2. Is preferred.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法に用いる本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、フィラメント固定部移動機構及びフィラメント２の伸縮状態検出手段を含むことができる。そのため、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いる本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法は、フィラメント２の伸縮状態検出手段により検出されるフィラメント２の伸縮状態の変化を補償するように、少なくとも一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂの間の距離を変えることができる。したがって、熱フィラメントＣＶＤ法による成膜の際に、フィラメント２の弛みを修正することができる。そのため、熱フィラメントＣＶＤ装置を用いるならば、有効成膜面積を大面積化し、速い成膜速度で大面積に均一な膜厚の薄膜の形成を行うことができる。 The hot filament CVD apparatus of the present invention used in the method for manufacturing a diamond thin film of the present invention can include a filament fixing part moving mechanism and a filament 2 expansion / contraction state detecting means. Therefore, the diamond thin film manufacturing method of the present invention using the hot filament CVD apparatus of the present invention fixes at least a pair of filaments so as to compensate for the change in the stretched state of the filament 2 detected by the stretched state detecting means of the filament 2. The distance between the parts 40a and 40b can be changed. Therefore, the slackness of the filament 2 can be corrected during film formation by the hot filament CVD method. Therefore, if a hot filament CVD apparatus is used, an effective film formation area can be increased, and a thin film having a uniform film thickness can be formed over a large area at a high film formation rate.
また、成膜の終了後、フィラメント２の温度を下げる際には、フィラメント２の温度上昇の際とは逆に、フィラメント２が収縮することになる。そこで、フィラメント２の温度を下げる際には、フィラメント固定部移動機構によってフィラメント２を弛ませて検出領域３０から外し、収縮により電磁波測定機構３２によって検出領域３０におけるフィラメント２の存在を認識した場合に、フィラメント２を弛ませるという操作により、フィラメント２の温度を下げる際の破壊を防止することができる。 Further, when the temperature of the filament 2 is lowered after the film formation is completed, the filament 2 contracts, contrary to the case where the temperature of the filament 2 is increased. Therefore, when the temperature of the filament 2 is lowered, the filament 2 is loosened by the filament fixing part moving mechanism and removed from the detection region 30, and the presence of the filament 2 in the detection region 30 is recognized by the electromagnetic wave measurement mechanism 32 due to the contraction. By the operation of loosening the filament 2, it is possible to prevent breakage when the temperature of the filament 2 is lowered.
本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、ダイヤモンド薄膜を成膜する際は、次の表の成膜条件にすることが好ましい。 When the diamond thin film is formed by the method for producing a diamond thin film of the present invention, the film forming conditions shown in the following table are preferably used.
本発明は、上述のダイヤモンド薄膜の製造方法によって製造されたダイヤモンド薄膜により、表面の少なくとも一部が被覆されるメカニカルシールである。本発明のダイヤモンド薄膜の製造方法により、ダイヤモンド薄膜を低コストで成膜することができるので、メカニカルシールの表面の少なくとも一部を、ダイヤモンド薄膜により、低コストで被覆することができる。 The present invention is a mechanical seal in which at least a part of the surface is covered with the diamond thin film produced by the above-described method for producing a diamond thin film. Since the diamond thin film can be formed at a low cost by the method for producing a diamond thin film of the present invention, at least a part of the surface of the mechanical seal can be covered with the diamond thin film at a low cost.
（実験１）
実験１として、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いて、表２に示す条件で、ダイヤモンド薄膜を基材４上に堆積させた。実験１では、成膜用ガス中のキャリアガス（水素ガス）流量に対する原料ガス（メタンガス流量）流量を５〜９．５％の範囲で変化させて、ダイヤモンド薄膜の成膜を行った。
(Experiment 1)
As Experiment 1, a diamond thin film was deposited on the substrate 4 under the conditions shown in Table 2 using the hot filament CVD apparatus of the present invention. In Experiment 1, the diamond thin film was formed by changing the flow rate of the source gas (methane gas flow rate) in the range of 5 to 9.5% with respect to the flow rate of the carrier gas (hydrogen gas) in the film forming gas.
基材４としては、市販のシリコンウエハー基板を用いた。基板の大きさは、φ３００ｍｍである。 As the base material 4, a commercially available silicon wafer substrate was used. The size of the substrate is φ300 mm.
熱フィラメントＣＶＤ装置は、図１に示すような構成のものを用いた。すなわち、熱フィラメントＣＶＤ装置は、ステンレス鋼製の真空容器（容積約１８０リットル）により成膜室１を構成した。成膜室１の排気のための真空ポンプ２２は油回転ポンプのみで構成されている。原料ガスの励起源であるフィラメント２は、０．１５ｍｍの３１本のタンタル線を、１０ｍｍ間隔で互いに平行に直線状に張って用いた。フィラメント２の両端は、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂで固定した。一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂのうちの一つ（フィラメント固定部４０ｂ）には、フィラメント固定部用連結シャフト４１が側壁に取り付けられている。フィラメント固定部用連結シャフト４１は、外部のフィラメント固定部用駆動装置４２（マイクロメータ）に連結されているので、一対のフィラメント固定部４０ａ及び４０ｂのうちの一つの位置を移動することが可能である。 A hot filament CVD apparatus having a configuration as shown in FIG. 1 was used. That is, in the hot filament CVD apparatus, the film forming chamber 1 was constituted by a stainless steel vacuum vessel (volume: about 180 liters). The vacuum pump 22 for exhausting the film forming chamber 1 is composed only of an oil rotary pump. The filament 2, which is an excitation source of the source gas, used 31 tantalum wires of 0.15 mm that are linearly stretched parallel to each other at intervals of 10 mm. Both ends of the filament 2 were fixed by a pair of filament fixing portions 40a and 40b. In one of the pair of filament fixing portions 40a and 40b (filament fixing portion 40b), a filament fixing portion connecting shaft 41 is attached to the side wall. Since the filament fixing portion connecting shaft 41 is connected to an external filament fixing portion driving device 42 (micrometer), it is possible to move one of the pair of filament fixing portions 40a and 40b. is there.
基材４（基板）の温度として、基材台３をアルメル−クロメル熱電対により測定した。 As the temperature of the substrate 4 (substrate), the substrate table 3 was measured with an alumel-chromel thermocouple.
薄膜を形成する際の核生成密度を増加させるために、基板への傷つけ前処理をした。傷つけ前処理は、具体的には、ダイヤモンドペースト（ダイヤモンド粒径：１〜３μｍ）で基板表面にスクラッチ処理した後、エタノール中で数分間超音波洗浄することによって行った。 In order to increase the nucleation density when forming the thin film, the substrate was pre-damaged. Specifically, the scratch pretreatment was performed by scratching the substrate surface with diamond paste (diamond particle size: 1 to 3 μm) and then ultrasonically cleaning in ethanol for several minutes.
キャリアガスである高純度水素に、原料ガスであるメタンを混合した成膜用ガスを、フィラメント２の上方より導入した。各々のガス流量は流量計で調節し、装置内の圧力はピラニー真空計及び隔膜真空計により測定した。なお、多結晶ダイヤモンド薄膜を形成するために必要な各々のガス流量及びフィラメント２の温度等の成膜条件は、例えば表１に示す範囲から適宜選択することができる。また、多結晶ダイヤモンド薄膜の成膜条件は公知であり、例えば特許文献３に記載されている。本実施例では、成膜の際の各々のガス流量及びフィラメント２の温度は、多結晶ダイヤモンド薄膜の成膜可能な条件の中から選択し、すべて成膜において一定とした。 A film forming gas obtained by mixing methane as a raw material gas with high purity hydrogen as a carrier gas was introduced from above the filament 2. Each gas flow rate was adjusted with a flow meter, and the pressure in the apparatus was measured with a Pirani vacuum gauge and a diaphragm vacuum gauge. The film forming conditions such as the gas flow rate and the temperature of the filament 2 necessary for forming the polycrystalline diamond thin film can be appropriately selected from the range shown in Table 1, for example. The conditions for forming the polycrystalline diamond thin film are known and described in, for example, Patent Document 3. In this embodiment, each gas flow rate and the temperature of the filament 2 at the time of film formation were selected from the conditions under which the polycrystalline diamond thin film can be formed, and all were made constant during film formation.
フィラメント２に通電し、加熱して、フィラメント２の温度を放射温度計で測定した。用いた放射温度計は、直径約１０ｍｍの光学的イメージを得ることができ、光学的イメージの中央のφ１ｍｍの領域の温度を測定することができる。したがって、この放射温度計を用いて、放射温度計の温度測定値の変化からフィラメント２の弛みを認識する場合の検出領域３０の大きさは、φ１ｍｍの円形であるといえる。また、この放射温度計は、測定対象物であるフィラメント２に光学的イメージの焦点を合わせることができる。その結果、放射温度計によって測定する際の検出領域３０の大きさを所定の大きさにすることができる。具体的には、この放射温度計を、放射温度計のφ１ｍｍの円形の検出領域３０が、最も外側に張架されたフィラメント２の中央を含み、放射温度計の焦点が張架されたフィラメント２に合うように配置した。本発明の電磁波測定機構３２として用い、フィラメント２からの放射電磁波を測定した。フィラメント２の加熱により、フィラメント２が弛むことにより、フィラメント２が所定の検出領域３０から外れると、放射温度計の温度の測定値が急激に下がる。その際に、フィラメント２の弛みを補償するようにフィラメント固定部用駆動装置４２（マイクロメータ）を動作させた。このとき、放射温度計の温度の測定値が、再度、フィラメント２の温度である高温に戻り、フィラメント２の弛みが補償されたことを認識できるまで、フィラメント固定部用駆動装置４２（マイクロメータ）を動作させた。 The filament 2 was energized and heated, and the temperature of the filament 2 was measured with a radiation thermometer. The radiation thermometer used can obtain an optical image having a diameter of about 10 mm, and can measure the temperature of a φ1 mm region in the center of the optical image. Therefore, it can be said that the size of the detection region 30 when using this radiation thermometer to recognize the slack of the filament 2 from the change in the temperature measurement value of the radiation thermometer is a circle of φ1 mm. In addition, this radiation thermometer can focus the optical image on the filament 2 which is a measurement object. As a result, the size of the detection region 30 when measuring with the radiation thermometer can be set to a predetermined size. Specifically, this radiation thermometer includes a filament 2 in which a φ1 mm circular detection region 30 of the radiation thermometer includes the center of the filament 2 stretched on the outermost side, and the focus of the radiation thermometer is stretched. Arranged to fit. The electromagnetic wave radiated from the filament 2 was measured using the electromagnetic wave measuring mechanism 32 of the present invention. When the filament 2 is loosened due to the heating of the filament 2 and the filament 2 is removed from the predetermined detection region 30, the measured value of the temperature of the radiation thermometer rapidly decreases. At that time, the filament fixing unit driving device 42 (micrometer) was operated so as to compensate for the slackness of the filament 2. At this time, until the measured value of the temperature of the radiation thermometer returns to the high temperature which is the temperature of the filament 2 again, and it can be recognized that the slackness of the filament 2 is compensated, the filament fixing unit driving device 42 (micrometer) Operated.
フィラメント２の加熱の際のみならず、成膜中も常に、所定の検出領域３０を放射温度計により測定し、フィラメント２の弛みが検出された際には、上述のように、フィラメント２の弛みを補償した。 Not only when the filament 2 is heated, but also during film formation, the predetermined detection region 30 is always measured with a radiation thermometer, and when the slack of the filament 2 is detected, the slack of the filament 2 is detected as described above. Compensated.
上述のようにして作製した薄膜の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察することにより、成膜した薄膜の膜厚を測定した。さらに、成膜した薄膜を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及びＸ線回折で評価し、膜質を評価した。 By observing the cross section of the thin film produced as described above with a scanning electron microscope (SEM), the thickness of the formed thin film was measured. Furthermore, the formed thin film was evaluated with a scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction to evaluate the film quality.
表３及び図５に、成膜用ガス中のキャリアガス（水素ガス）流量に対する原料ガス（メタンガス流量）流量を５〜９．５％の範囲で変化させて、多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜した場合の、原料ガス／キャリアガスの流量割合（単に、原料ガス流量割合という。）と、成膜速度との関係を示す。成膜速度は、得られた多結晶ダイヤモンド薄膜の膜厚（平均膜厚）及び成膜時間から計算した。また、図８に、実験１で成膜した薄膜の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を示す。 In Table 3 and FIG. 5, the polycrystalline diamond thin film was formed by changing the flow rate of the source gas (methane gas flow rate) with respect to the carrier gas (hydrogen gas) flow rate in the film forming gas within a range of 5 to 9.5%. In this case, the relationship between the flow rate ratio of source gas / carrier gas (simply referred to as source gas flow rate ratio) and the film formation rate is shown. The film formation rate was calculated from the film thickness (average film thickness) of the obtained polycrystalline diamond thin film and the film formation time. Further, FIG. 8 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of the thin film formed in Experiment 1.
表３に示す実験１−２から実験１−５が、本発明の実施例である。表３及び図５に示すように、原料ガス流量割合が５％の場合（実験１−２）には、成膜速度が１μｍ／時間を超えたため、速い成膜速度であったといえる。また、原料ガス流量割合が１０％の場合（実験１−６）には、得られた薄膜が非晶質であった（図８（ｄ）参照）。なお、原料ガス流量割合が１０％未満の場合には、得られた薄膜が、多結晶ダイヤモンド薄膜であった（図８（ａ）〜（ｃ）参照）。以上のことから、キャリアガスの流量に対する原料ガスの流量の比率が、少なくとも５〜９．５％の範囲内であるならば、多結晶ダイヤモンド薄膜を速い成膜速度で成膜できることが明らかとなった。 Experiments 1-2 to 1-5 shown in Table 3 are examples of the present invention. As shown in Table 3 and FIG. 5, when the raw material gas flow rate is 5% (Experiment 1-2), it can be said that the film formation rate exceeded 1 μm / hour, and thus the film formation rate was high. When the raw material gas flow rate was 10% (Experiment 1-6), the obtained thin film was amorphous (see FIG. 8D). In addition, when the raw material gas flow rate ratio was less than 10%, the obtained thin film was a polycrystalline diamond thin film (see FIGS. 8A to 8C). From the above, it is clear that a polycrystalline diamond thin film can be formed at a high deposition rate if the ratio of the flow rate of the source gas to the flow rate of the carrier gas is at least in the range of 5 to 9.5%. It was.
（実験２）
実験２として、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いて、表４に示す条件で、ダイヤモンド薄膜を基材４上に堆積させた。実験２では、フィラメント２と基板（基材４）との間の距離を４〜７ｍｍまで変化させて、ダイヤモンド薄膜の成膜を行った。なお、表４に示すように、実験２の原料ガス流量割合を９％とした。
(Experiment 2)
As Experiment 2, a diamond thin film was deposited on the substrate 4 under the conditions shown in Table 4 using the hot filament CVD apparatus of the present invention. In Experiment 2, a diamond thin film was formed by changing the distance between the filament 2 and the substrate (base material 4) from 4 to 7 mm. In addition, as shown in Table 4, the raw material gas flow rate ratio in Experiment 2 was set to 9%.
表５及び図６に、実験２のように多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜した場合の、成膜速度と、フィラメント２／基材４間の距離との関係を示す。表５及び図６には、各条件で２回成膜を行った結果の成膜速度の範囲を示している。表５及び図６に示すように、フィラメント２／基材４間の距離が４〜７ｍｍの範囲で多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜した場合には、２．４μｍ／時間以上という速い成膜速度を得ることができた。また、表５及び図６から、フィラメント２／基材４間の距離が短い方が、速い成膜速度を得ることができることが見て取れる。 Table 5 and FIG. 6 show the relationship between the film formation speed and the distance between the filament 2 and the substrate 4 when a polycrystalline diamond thin film is formed as in Experiment 2. Table 5 and FIG. 6 show the range of the film formation rate as a result of performing film formation twice under each condition. As shown in Table 5 and FIG. 6, when a polycrystalline diamond thin film is formed with a distance between the filament 2 and the substrate 4 in the range of 4 to 7 mm, a high film formation rate of 2.4 μm / hour or more is obtained. I was able to get it. Moreover, it can be seen from Table 5 and FIG. 6 that a faster film formation rate can be obtained when the distance between the filament 2 and the substrate 4 is shorter.
（実験３）
実験３として、本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いて、表６に示す条件で、ダイヤモンド薄膜を基材４上に堆積させた。実験２では、成膜用ガス圧力（ダイヤモンド薄膜を成膜する際の成膜室１内の成膜用ガスの圧力）を５〜７．５ｋＰａまで変化させて、ダイヤモンド薄膜の成膜を行った。なお、表６に示すように、実験３の原料ガス流量割合は、９％だった。なお、成膜した薄膜は、すべて多結晶ダイヤモンド薄膜だった。
(Experiment 3)
As Experiment 3, a diamond thin film was deposited on the substrate 4 under the conditions shown in Table 6 using the hot filament CVD apparatus of the present invention. In Experiment 2, the diamond thin film was formed by changing the film forming gas pressure (pressure of the film forming gas in the film forming chamber 1 when forming the diamond thin film) to 5 to 7.5 kPa. . As shown in Table 6, the raw material gas flow rate ratio in Experiment 3 was 9%. All the thin films formed were polycrystalline diamond thin films.
表７及び図７に、実験３のように多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜した場合の、成膜速度と、成膜用ガス圧力との関係を示す。表７及び図７に示すように、成膜用ガス圧力が５〜７．５ｋＰａの範囲で多結晶ダイヤモンド薄膜を成膜した場合には、２．５μｍ／時間以上という速い成膜速度を得ることができた。 Table 7 and FIG. 7 show the relationship between the film forming speed and the film forming gas pressure when a polycrystalline diamond thin film is formed as in Experiment 3. As shown in Table 7 and FIG. 7, when a polycrystalline diamond thin film is formed with a film forming gas pressure in the range of 5 to 7.5 kPa, a high film forming rate of 2.5 μm / hour or more is obtained. I was able to.
１ 成膜室
２ フィラメント
３ 基材台
４ 基材
５ フィラメント固定部用支柱
７ 基材台用支柱
８ 基材台駆動装置
９ 成膜室側壁
１０ 監視窓
１２ 電流導入ケーブル
１３ 電流導入ポート
１４ 成膜用ガス導入口
１５ 排気ガス口
１６ 電気絶縁部
１８ 真空シール部
２０ 成膜用ガス供給装置
２２ 真空ポンプ
２４ 電源
３０ 検出領域
３２ 電磁波測定機構
３５ 自動距離可変機構
３６ 信号線（電磁波測定機構から自動距離可変機構へ）
３７ 信号線（自動距離可変機構からフィラメント固定部用駆動装置へ）
４０、４０ａ フィラメント固定部
４０ｂ フィラメント固定部（可動）
４１ フィラメント固定部用連結シャフト
４２ フィラメント固定部用駆動装置
５０ 原料ガス貯留器
５２ 原料ガス流量制御器
６０ キャリアガス貯留器
６２ キャリアガス流量制御器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Deposition chamber 2 Filament 3 Base material stand 4 Base material 5 Strut for filament fixing part 7 Base material strut 8 Base material stand driving device 9 Deposition chamber side wall 10 Monitoring window 12 Current introduction cable 13 Current introduction port 14 Film formation Gas introduction port 15 Exhaust gas port 16 Electrical insulation unit 18 Vacuum seal unit 20 Deposition gas supply device 22 Vacuum pump 24 Power source 30 Detection area 32 Electromagnetic wave measuring mechanism 35 Automatic distance variable mechanism 36 Signal line (automatic distance from electromagnetic wave measuring mechanism) To variable mechanism)
37 Signal line (from automatic distance variable mechanism to filament fixing unit drive)
40, 40a Filament fixing part 40b Filament fixing part (movable)
41 Filament fixing part connecting shaft 42 Filament fixing part driving device 50 Raw material gas reservoir 52 Raw material gas flow controller 60 Carrier gas reservoir 62 Carrier gas flow controller
Claims (13)
前記熱フィラメントＣＶＤ装置が、
成膜室と、
前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、
前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと、
前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と
を含み、
ダイヤモンド薄膜の製造方法が、
前記基材台に前記基材を配置する工程と、
前記成膜室内に前記原料ガス及び前記キャリアガスを供給する工程と、
前記フィラメントに通電することにより、前記フィラメントを所定の温度まで上昇させる工程と、
を含み、
前記キャリアガスの流量に対する前記原料ガスの流量の比率が５〜２３％の範囲内となるように設定される、ダイヤモンド薄膜の製造方法。 A method for producing a diamond thin film using a hot filament CVD apparatus,
The hot filament CVD apparatus comprises:
A deposition chamber;
A substrate base disposed in the film forming chamber for disposing the substrate;
A filament disposed in the film forming chamber and capable of being heated by energizing current;
Gas supply means for supplying a source gas and a carrier gas into the film forming chamber,
A method for producing a diamond thin film
Placing the substrate on the substrate table;
Supplying the source gas and the carrier gas into the film formation chamber;
Increasing the filament to a predetermined temperature by energizing the filament; and
Including
A method for producing a diamond thin film, wherein the ratio of the flow rate of the source gas to the flow rate of the carrier gas is set within a range of 5 to 23%.
前記熱フィラメントＣＶＤ装置が、
成膜室と、
前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、
前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと、
前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と
を含み、
ダイヤモンド薄膜の製造方法が、
前記基材台に前記基材を配置する工程と、
前記成膜室内に前記原料ガス及び前記キャリアガスを供給する工程と、
前記フィラメントに通電することにより、前記フィラメントを所定の温度まで上昇させる工程と、
を含み、
前記フィラメントに通電するときの単位電力当たりの、前記原料ガス及び前記キャリアガスの１分当たりの合計ガス流量（ｍｌ／分）が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）である、ダイヤモンド薄膜の製造方法。 A method for producing a diamond thin film using a hot filament CVD apparatus,
The hot filament CVD apparatus comprises:
A deposition chamber;
A substrate base disposed in the film forming chamber for disposing the substrate;
A filament disposed in the film forming chamber and capable of being heated by energizing current;
Gas supply means for supplying a source gas and a carrier gas into the film forming chamber,
A method for producing a diamond thin film
Placing the substrate on the substrate table;
Supplying the source gas and the carrier gas into the film formation chamber;
Increasing the filament to a predetermined temperature by energizing the filament; and
Including
Production of a diamond thin film in which the total gas flow rate (ml / min) per minute of the source gas and the carrier gas per unit power when the filament is energized is 3 to 60 ml / (min · KW) Method.
前記合計ガス流量が、処理面積１ｃｍ２当たり、０．１４〜２．０ｍｌ／分の範囲内であるように、前記ガス供給手段が前記原料ガス及び前記キャリアガスの流量を制御する、請求項３に記載のダイヤモンド薄膜の製造方法。 The processing area of the film forming chamber is a value of 100 cm 2 or more;
The gas supply means controls the flow rates of the source gas and the carrier gas so that the total gas flow rate is within a range of 0.14 to 2.0 ml / min per 1 cm 2 of processing area. A method for producing a diamond thin film according to 1.
前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、
前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと、
前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と、
を含む、熱フィラメントＣＶＤ装置であって、
前記ガス供給手段が、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御する流量制御機構を含み、
前記流量制御機構が、前記キャリアガスの流量に対する前記原料ガスの流量の比率が５〜２３％の範囲内となるように、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御可能である、熱フィラメントＣＶＤ装置。 A deposition chamber;
A substrate base disposed in the film forming chamber for disposing the substrate;
A filament disposed in the film forming chamber and capable of being heated by energizing current;
A gas supply means for supplying a source gas and a carrier gas into the film forming chamber;
A hot filament CVD apparatus comprising:
The gas supply means includes a flow rate control mechanism for controlling the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the source gas;
The flow rate control mechanism can control the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the raw material gas so that the ratio of the flow rate of the raw material gas to the flow rate of the carrier gas is in the range of 5 to 23%. Filament CVD device.
前記成膜室内に配置され、基材を配置するための基材台と、
前記成膜室内に配置され、電流を通電することにより加熱可能なフィラメントと
前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と、
を含む、熱フィラメントＣＶＤ装置であって、
前記ガス供給手段が、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御する流量制御機構を含み、
前記流量制御機構が、前記フィラメントに通電するときの単位電力当たりの、前記原料ガス及び前記キャリアガスの１分当たりの合計流量が、３〜６０ｍｌ／（分・ＫＷ）となるように、前記キャリアガスの流量及び前記原料ガスの流量を制御可能である、熱フィラメントＣＶＤ装置。 A deposition chamber;
A substrate base disposed in the film forming chamber for disposing the substrate;
A filament disposed in the film forming chamber and capable of being heated by energizing a current; and a gas supply means for supplying a source gas and a carrier gas into the film forming chamber;
A hot filament CVD apparatus comprising:
The gas supply means includes a flow rate control mechanism for controlling the flow rate of the carrier gas and the flow rate of the source gas;
The carrier so that a total flow rate per minute of the source gas and the carrier gas per unit power when the flow rate control mechanism energizes the filament is 3 to 60 ml / (min · KW). A hot filament CVD apparatus capable of controlling the flow rate of gas and the flow rate of the source gas.
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