JP2840700B2 - Film forming apparatus and film forming method - Google Patents

Film forming apparatus and film forming method

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JP2840700B2
JP2840700B2 JP2418694A JP41869490A JP2840700B2 JP 2840700 B2 JP2840700 B2 JP 2840700B2 JP 2418694 A JP2418694 A JP 2418694A JP 41869490 A JP41869490 A JP 41869490A JP 2840700 B2 JP2840700 B2 JP 2840700B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は大気圧に於て被膜を形成
することのできる被膜形成方法と装置に関するものであ
る。これにより、真空ポンプ等の排気装置を必要としな
い低コストの被膜形成装置を提供することができる。被
膜は硬質炭素、窒化珪素、酸化珪素等の高硬度被膜を成
膜することができ、これらの被膜は金属、プラスチッ
ク、ガラス、有機感光体等の表面硬質化、表面改質、反
射防止等に応用することができ、その応用範囲は多岐に
わたる。本発明はこれらの被膜を安価に、大量に生産す
る方法と装置を提供するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for forming a film at atmospheric pressure. This makes it possible to provide a low-cost film forming apparatus that does not require an exhaust device such as a vacuum pump. High hardness coatings such as hard carbon, silicon nitride, and silicon oxide can be formed as coatings. These coatings can be used for hardening, modifying surfaces, and preventing reflection of metals, plastics, glass, and organic photoreceptors. It can be applied, and its application range is wide. The present invention provides a method and an apparatus for mass-producing these coatings at low cost.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、硬質炭素、窒化珪素、酸化珪素等
の新機能材料被膜はプラズマCVD(化学気相合成法)
法を利用して作成される場合が多く、これらの方法の殆
どは減圧状態を利用する。減圧状態を用いることの主な
利点としては大気中に含まれる酸素等の不純物の影響
が取り除かれるプラズマの場合、安定な放電が広い領
域で得られ易い平均自由行程が長いため膜厚均一性や
ステップガバレッジを向上させ易い等があげられる。し
かし、減圧状態を得るには高価な真空排気装置と真空状
態に耐える充分な強度を有した真空容器が必要である。
2. Description of the Related Art At present, new functional material films such as hard carbon, silicon nitride, and silicon oxide are formed by plasma CVD (chemical vapor synthesis).
It is often created using a method, and most of these methods use a reduced pressure state. The main advantage of using a reduced pressure state is that, in the case of plasma in which the influence of impurities such as oxygen contained in the air is removed, stable discharge is easily obtained in a wide area, and the mean free path is long. For example, it is easy to improve the step coverage. However, in order to obtain a reduced pressure state, an expensive evacuation device and a vacuum container having sufficient strength to withstand the vacuum state are required.

【0003】一般に不純物の混入を極度に嫌う半導体分
野では性能を達成する必要があり、また付加価値の高い
製品の価格に高価な設備償却費を転嫁させやすい事情も
あるため、これら被膜は前述の如く減圧プラズマCVD
法により作成されていた。一方、車載用ボディー等の塗
膜、金属、プラスチック、ガラス、有機感光体等の表面
硬質化、表面改質、反射防止等の目的に薄膜を形成する
場合には、さほどの高純度は要求されず、むしろ高価な
設備を使用することによるコスト高が問題となる。即
ち、性能とコストを最適化する必要がある。
Generally, in the field of semiconductors, which are extremely reluctant to mix impurities, it is necessary to achieve high performance. In addition, it is easy to pass on expensive equipment depreciation to the price of high value-added products. Low pressure plasma CVD
Was created by law. On the other hand, when a thin film is formed for the purpose of hardening the surface, modifying the surface of an organic photoreceptor or the like of a coating film of a vehicle body, a metal, a plastic, a glass, an organic photoreceptor, etc., a very high purity is required. Instead, the problem is that the cost is high due to the use of expensive equipment. That is, it is necessary to optimize performance and cost.

【0004】一方、真空排気装置を必要としないプラズ
マ処理は一部知られており、エッチングに応用したもの
には特願平2−286883がある。これは、送流状態
にあるヘリウムを主成分とするガスがほぼ大気圧に等し
い圧力で充満された空間に交流の電界を印加し、前記ガ
スと前記ガス中に添加されたハロゲン系エッチングガス
を電離して励起子を生成し、エッチングに供するもので
ある。また、ヘリウムを主成分とするガスの放電を薄膜
堆積に応用しようとするものが知られている。(第37
回応用物理学関係連合講演会講演予稿集第2分冊28p
−ZH−10)しかしながらこの研究は反応空間にヘリ
ウムを主成分とするガスで置換する必要があるため、反
応空間を一度真空に排気する行程を経ねばならない。
[0004] On the other hand, some plasma treatments that do not require a vacuum evacuation device are known, and those applied to etching are disclosed in Japanese Patent Application No. 2-286883. This means that an AC electric field is applied to a space filled with a gas containing helium as a main component in a flowing state at a pressure substantially equal to the atmospheric pressure, and the gas and a halogen-based etching gas added to the gas are applied. The exciton is generated by ionization, and is used for etching. Further, there is known a method in which discharge of a gas containing helium as a main component is applied to thin film deposition. (No. 37
Proceedings of the 2nd JSAP Lecture Meeting on Applied Physics 2nd Volume 28p
-ZH-10) However, in this research, since the reaction space needs to be replaced with a gas containing helium as a main component, the reaction space must be once evacuated to a vacuum.

【0005】前述のように従来の減圧成膜方法はプラス
チック、ガラス、有機感光体等の表面硬質化の為だけの
処理または膜形成等の目的には高価であり、より安価な
方法が求められていた。そこで、安価な成膜方法として
大気圧での放電を利用した成膜方法が考えられている。
この方法を用いれば以下のような利点がある。真空排
気の必要が無いため、高価な排気装置を必要としない。
従来真空排気に要した時間を省くことができるため、
タクトタイムを短縮することができる。高い圧力での
成膜のため衝突時間が短く反応速度が速いため、成膜時
間を短くすることができる。これらは何れも成膜装置を
安価にし、タクトタイムを短縮できる要素であり、よっ
て、成膜コストを下げることへの寄与が大きい。
As described above, the conventional reduced pressure film forming method is expensive for the purpose of processing only for hardening the surface of plastic, glass, organic photoreceptor, or the like, or for forming a film, and a more inexpensive method is required. I was Then, as an inexpensive film forming method, a film forming method using discharge at atmospheric pressure has been considered.
Use of this method has the following advantages. Since there is no need for evacuation, an expensive evacuation device is not required.
Conventionally, the time required for evacuation can be saved,
Takt time can be reduced. Since the collision time is short and the reaction speed is high because the film is formed at a high pressure, the film formation time can be shortened. These are all elements that can reduce the cost of the film forming apparatus and shorten the tact time, and thus greatly contribute to reducing the film forming cost.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところが大気圧での成
膜では以下のような3つの問題が存在する。
However, film formation at atmospheric pressure has the following three problems.

【0007】第1の問題は大気成分の混入である。これ
は、放電空間に発生したイオン、ラジカル等が基体表面
まで輸送されるまでの間に大気中の不純物、特に酸素と
化合して、被膜に影響を及ぼす問題である。また、被膜
の形成されつつある表面は活性であり、該表面に付着し
た酸素等の不純物は被膜の性能を低下させる原因とな
る。
[0007] The first problem is contamination of atmospheric components. This is a problem that ions and radicals generated in the discharge space are combined with impurities in the atmosphere, particularly oxygen, before being transported to the surface of the substrate, thereby affecting the coating. In addition, the surface on which the film is being formed is active, and impurities such as oxygen attached to the surface cause deterioration of the performance of the film.

【0008】第2の問題は放電空間が狭い領域に限られ
ることである。一般に被膜を基体上に成膜する場合は広
い面積に均一に成膜したいという要求がある。そのため
にはプラズマを広範囲に生成させねばならないが、大気
圧での放電は粒子の平均自由行程が1μm以下と短く、
電子とイオンの空間中での衝突による再結合(体積再結
合)が多くなり、場合にもよるが放電領域は通常は数m
m以上に広がらなくなる。
[0008] The second problem is that the discharge space is limited to a narrow area. In general, when a film is formed on a substrate, there is a demand to uniformly form a film over a wide area. For this purpose, plasma must be generated in a wide range, but discharge at atmospheric pressure has a short mean free path of particles of 1 μm or less.
The recombination (volume recombination) due to collisions between electrons and ions in the space increases, and depending on the case, the discharge region is usually several meters.
m or more.

【0009】第3の問題は反応速度が速すぎる点にあ
る。即ち、イオン、ラジカル等の衝突確率が高いために
基体表面で被膜として成長する前に空間中で反応してし
まい、粉となって基体上に析出してしまうことである。
A third problem is that the reaction speed is too high. That is, since the probability of collision of ions, radicals, and the like is high, they react in space before growing as a film on the surface of the substrate, and are deposited as powder on the substrate.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明はこれらの課題を
解決するために、アーク放電空間をパージガスで包むよ
うに覆い、該アーク放電空間と基体の間にスパッタを生
じるようなバイアスを印加し、さらに、プラズマにより
活性化された原料粒子の基板への到達確率を均一にする
ため、また、バイアスによるスパッタの効果を均一にす
るため、放電部と基板間の距離を一定になるようにした
ものである。また、放電部に磁場を作用させることによ
りプラズマ空間領域を制御し、被膜の均一性を向上させ
るものである。
In order to solve these problems, the present invention covers an arc discharge space so as to wrap it with a purge gas, and applies a bias between the arc discharge space and a substrate so as to generate spatter. Furthermore, the distance between the discharge part and the substrate is made constant to make the probability of the source particles activated by the plasma reach the substrate uniform and to make the effect of sputtering by the bias uniform. It is. Further, by applying a magnetic field to the discharge part, the plasma space region is controlled to improve the uniformity of the coating.

【0011】本発明の被膜形成方法は大気圧で行うこと
によりコストの低減を計るものであり、排気装置を有し
ないことを特徴としている。また、本発明では大気圧下
での放電の中でも特にアーク放電を用いる。アーク放電
はプラズマ内の温度が数千Kと高いため、通常分解しに
くいガスでも容易に分解する利点がある。そのため、未
分解が原因の膜質の低下がなく、製膜速度も非常に高く
なる。本発明により形成される被膜はダイヤモンド、ダ
イヤモンドライクカーボン(DLC),BN X ,B
X ,BP X ,SiN X ,SiC X ,SiO X ,AlO
X (例えばAl 2 3 ),TaN X ,TaC X ,Ta
X ,TiN X ,TiC X ,TiO X ,ZrN X ,Zr
X ,ZrO X (例えばZrO 2 ),HfC X ,HfN
X ,VC X ,NbC X ,WC X より選ばれた1種類の単
一層もしくは2種類以上の複数層を積層した構成であ
る。
The film forming method of the present invention is intended to reduce the cost by performing the process at atmospheric pressure, and is characterized by having no exhaust device. In the present invention, an arc discharge is particularly used among the discharges under the atmospheric pressure. Since arc discharge has a high temperature in the plasma of several thousand K, there is an advantage that even a gas which is usually difficult to decompose can be easily decomposed. Therefore, there is no deterioration in film quality due to undecomposition, and the film formation speed is extremely high. The coatings formed by the present invention are diamond,
Earmon Like Carbon (DLC), BN X , B
C X, BP X, SiN X , SiC X, SiO X, AlO
X (eg, Al 2 O 3 ), TaN x , TaC x , Ta
O X, TiN X, TiC X , TiO X, ZrN X, Zr
C X, ZrO X (e.g. ZrO 2), HfC X, HfN
X, VC X, NbC X, 1 type of single selected from WC X
One or two or more layers are stacked
You.

【0012】放電空間に導入されるガスは被膜を形成す
る原料ガスと、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスより
なる緩衝ガスより構成される。緩衝ガスはプラズマによ
り活性化された原料ガス同志の衝突確率を減少させ、該
原料ガスの空間中での反応を抑制する事により粉の発生
を低減させる役割を持つ。また、不活性ガスは一般に電
離電圧が高いためプラズマの温度がより高くなる。特に
ヘリウムを用いた場合はその電離電圧は最も高くなり、
プラズマ内での分解効率は最も良くなる。尚、緩衝ガス
に対する原料ガス濃度は50%以下、好ましくは20%
以下が良い。
The gas introduced into the discharge space is composed of a raw material gas for forming a film and a buffer gas composed of an inert gas such as helium or argon. The buffer gas has a role of reducing the probability of collision between source gases activated by the plasma and suppressing the reaction of the source gas in the space, thereby reducing the generation of powder. In addition, since the inert gas generally has a high ionization voltage, the temperature of the plasma becomes higher. Especially when helium is used, its ionization voltage is the highest,
The decomposition efficiency in the plasma is best. The source gas concentration with respect to the buffer gas is 50% or less, preferably 20%.
The following is good.

【0013】原料ガスは形成される被膜の種類により選
択され、硬質炭素膜を形成する場合はメタン、エチレ
ン、アセチレン、ベンゼン、メチルベンゼン等の炭化水
素系ガス、及び4弗化炭素、4塩化炭素、フロロベンゼ
ン、クロロベンゼン等のハロゲン化炭素、ハロゲン化炭
化水素系ガス、エタノール、メタノール等アルコール類
等炭素を含み、室温1気圧においてある程度の蒸気圧を
有するものであれば原則的には何でもよい。但し、該原
料ガスの未反応分は大気中に放出されるのでアセチレ
ン、ベンゼン等有毒物よりはメチルベンゼン、クロロベ
ンゼン、エタノール等無害のものの方が望ましい。ま
た、一分子中の炭素原子の多いものほど反応速度が速い
という傾向があるので、メタンよりはエチレン、エチレ
ンよりはアセチレンの方が望ましく、ベンゼン等芳香族
系分子がより望ましい。さらに、成膜速度の有利性は原
料ガスにハロゲン系元素が含まれる場合大きくなる。こ
れは、ハロゲン系元素例えば弗素が、触媒的に作用し、
炭化水素分子の水素をHFの形で引き抜き、よって、炭
化水素分子が活性化されやすくなるためである。ハロゲ
ン系元素は4弗化炭素、4塩化炭素、フロロベンゼン、
クロロベンゼン等の炭素化合分子として供給されても、
また、3弗化窒素、6弗化硫黄、6弗化タングステン、
弗素ガス等の状態で供給されてもよい。尚、原料ガス中
に窒素、ボロン、リン等のIIIV族元素を含んだガス
を添加すると、硬質炭素膜は若干の導電性を示すように
なり、静電気対策に有用な被膜を得ることができる。例
えば、エチレン、メチルベンゼン等炭化水素ガスに3弗
化窒素を添加すると成膜速度の高い、半絶縁体の(即ち
静電対策の施された)硬質炭素膜を得ることができる。
また、原料ガス中に水素を混合すると硬質炭素膜中の未
結合手に水素がターミネートされ、また、未反応のs
p、sp2結合が水素の作用によりsp3結合になり易
く、そのため硬質炭素膜はより硬く、透明度も高くな
る。
The raw material gas is selected depending on the type of the film to be formed. In the case of forming a hard carbon film, a hydrocarbon-based gas such as methane, ethylene, acetylene, benzene, methylbenzene, etc .; In principle, any material may be used as long as it contains carbon such as halogenated carbon such as fluorobenzene, chlorobenzene and the like, halogenated hydrocarbon-based gas, alcohols such as ethanol and methanol, and has a certain vapor pressure at room temperature and 1 atm. However, since unreacted components of the raw material gas are released into the atmosphere, harmless substances such as methylbenzene, chlorobenzene and ethanol are preferable to toxic substances such as acetylene and benzene. In addition, since the reaction rate tends to increase as the number of carbon atoms in one molecule increases, ethylene is more preferable than methane, acetylene is more preferable than ethylene, and aromatic molecules such as benzene are more preferable. Further, the advantage of the film formation rate becomes greater when the source gas contains a halogen-based element. This is because halogen-based elements such as fluorine act catalytically,
This is because hydrogen of the hydrocarbon molecule is extracted in the form of HF, so that the hydrocarbon molecule is easily activated. Halogen elements include carbon tetrafluoride, carbon tetrachloride, fluorobenzene,
Even if supplied as a carbon compound molecule such as chlorobenzene,
Also, nitrogen trifluoride, sulfur hexafluoride, tungsten hexafluoride,
It may be supplied in a state of fluorine gas or the like. When a gas containing a group IIIV element such as nitrogen, boron, phosphorus or the like is added to the raw material gas, the hard carbon film becomes slightly conductive, and a film useful for countermeasures against static electricity can be obtained. For example, when nitrogen trifluoride is added to a hydrocarbon gas such as ethylene or methylbenzene, a semi-insulating hard carbon film (that is, a countermeasure against static electricity) having a high film forming rate can be obtained.
When hydrogen is mixed in the raw material gas, hydrogen is terminated to unbonded bonds in the hard carbon film, and unreacted s
The p and sp2 bonds easily become sp3 bonds due to the action of hydrogen, so that the hard carbon film is harder and has higher transparency.

【0014】形成する被膜が窒化珪素の場合は原料ガス
としてシラン、ジシラン等シラン系ガス及び窒素ガス、
アンモニアガス等窒素源を用いることができる。酸化珪
素の場合はシラン系ガス及び酸素、NO等を用いるこ
とができる。また、Al,Ta,Ti,Zr,Hf,
V,Nb,W等の金属の原料ガスとしてはメチル基、エ
チル基等を有した有機金属ガスを用いることが出来る。
それら金属の酸化源としてはO,NO等、窒化源と
してはN,アンモニア等、炭化源としてメタン、エチ
レン等の炭化水素、CO等を用いることが出来る。ボ
ロン源としてはジボラン、リン源としてフォスフィンが
使える。タングステン源として他にフッ化タングステン
のごときハロゲン化物を用いることが出来る。ハロゲン
系物質を用いると反応速度が速くなり、有利である。
When the film to be formed is silicon nitride, silane-based gas such as silane and disilane and nitrogen gas are used as raw material gases.
A nitrogen source such as ammonia gas can be used. In the case of silicon oxide, a silane-based gas, oxygen, N 2 O, or the like can be used. Also, Al, Ta, Ti, Zr, Hf,
An organic metal gas having a methyl group, an ethyl group, or the like can be used as a source gas of a metal such as V, Nb, W, or the like.
They O 2 as an oxidizing source of metal, N 2 O, etc., as the nitride source N 2, ammonia, methane as hydrocarbon source, a hydrocarbon such as ethylene, CO 2, etc. can be used. Diborane can be used as a boron source, and phosphine can be used as a phosphorus source. Alternatively, a halide such as tungsten fluoride can be used as a tungsten source. The use of a halogen-based substance is advantageous because the reaction rate is increased.

【0015】また、反応中の成膜前駆体の衝突確率を低
下させ、これにより粉の発生を抑制する目的で希ガスの
他に水素ガスを緩衝ガスとして原料ガスに混合すること
もできる。
Further, in order to reduce the collision probability of the film-forming precursor during the reaction and thereby suppress the generation of powder, hydrogen gas can be mixed with the source gas as a buffer gas in addition to the rare gas.

【0016】これら原料ガスは調圧器により1気圧より
若干高く調圧され、同様に調圧された緩衝ガスと混合さ
れた後、反応空間に導入される。反応空間は中心に電圧
を印加する第一の電極とその外側に同心円状に配置され
る接地電極で挟まれた空間である。該第一の電極と接地
電極間に電界を加えると、まずグロー放電が発生し、更
に電力を増加させるとアーク放電に移行する。アーク放
電ではグロー放電に比べて電極間電圧は小さくなるが、
これは電極での電子放出機構がグロー放電では二次電子
放出であるのに対しアーク放電では熱電子放出であるた
め、放電の陽光柱に対する電極の電位差がアーク放電で
は小さくなるからであり、一方電流値はアーク放電では
グロー放電に対し100倍以上大きくすることが出来
る。即ち、膜原料ガスラジカルの主に発生する陽光柱部
分への電力の投入はアーク放電の方がより大きく、効率
的に行うことができる。
These source gases are adjusted to a pressure slightly higher than 1 atm by a pressure regulator, mixed with a similarly regulated buffer gas, and then introduced into the reaction space. The reaction space is a space sandwiched between a first electrode for applying a voltage at the center and a ground electrode arranged concentrically outside the first electrode. When an electric field is applied between the first electrode and the ground electrode, a glow discharge occurs first, and when the electric power is further increased, a transition to an arc discharge occurs. In arc discharge, the voltage between electrodes is smaller than in glow discharge.
This is because the electron emission mechanism at the electrode is secondary electron emission in glow discharge, while it is thermionic emission in arc discharge, so the potential difference of the electrode with respect to the positive column of the discharge becomes smaller in arc discharge. The current value can be made 100 times or more larger in arc discharge than in glow discharge. That is, the electric power is supplied to the positive column, which mainly generates the film material gas radicals, in the arc discharge, which can be performed more efficiently.

【0017】アーク放電の場合、電子放出機構は熱電子
放出であるため、両電極の熱電子放出係数は大きい方が
良い。温度が高いほど電子放出係数は大きくなるから、
高温度でも安定なタングステン、タンタル等の高融点金
属、LaB等のホウ化金属、酸化物導電体等が有用で
ある。また、前記高融点金属、ホウ化金属、酸化物導電
体等の表面に電子放出係数の大きな物質、即ち仕事関数
の小さなMgO、CaO等の物質をコーティングするこ
とも有効である。
In the case of arc discharge, since the electron emission mechanism is thermionic emission, it is preferable that the thermoelectron emission coefficients of both electrodes are large. Since the electron emission coefficient increases as the temperature increases,
High temperature stability in tungsten, a refractory metal such as tantalum, metal boride such as LaB 6, an oxide conductor and the like are useful. It is also effective to coat the surface of the refractory metal, metal boride, oxide conductor or the like with a substance having a large electron emission coefficient, that is, a substance having a small work function, such as MgO or CaO.

【0018】アーク放電に印加する電界は直流、交流ど
ちらでも構わない。この場合はアーク放電は連続放電と
なるが、パルスもしくは矩形波変調された高周波を印加
すると時間的に放電形態の変化するパルス放電となる。
デューティーが50%以下であると、アーク放電開始初
期のプラズマとアフターグローの影響が大きくなり、連
続アーク放電時とは違った性質を発生する。アーク放電
開始初期はプラズマのインピーダンスが高く、よって、
空間中に掛かる電圧は高くなる。即ち、プラズマ中の電
子1個当りの得るエネルギーが大きく、電子温度は高く
なる。この時プラズマ空間中に存在する原料ガスは効率
よく励起される。次に、印加電力が停止したときよりプ
ラズマはアフターグローとなるが、この時、空間に印加
される外部電界は存在せず、空間内に存在する内部電界
のみとなる。この内部電界もアフターグロー中のイオン
と電子の再結合により急速に消滅してしまう。連続アー
ク放電では基体表面の微小な突部の電界集中により、選
択的に膜成長が起こり、ピンホールやボイドの原因とな
っていたのがアフターグロー放電においては基体表面の
微小な突部ヘの電界集中は起こらず、よって、ピンホー
ルやボイドのない良質な被膜が形成される。即ち、パル
スもしくは矩形波変調された高周波を用いると効率よく
活性化されたクラスター等成膜前駆体が均一に基体表面
に付着するため、成膜速度の高い良質な被膜を得ること
ができる。また、パルス放電では電極が加熱されるまで
のなだれ崩壊初期のみを選択的に利用することができる
ため電極の保護に対しても効果が生じる。尚、パルス周
期はアフターグローの消滅する時間に等しい数ミリ秒程
度が適当である。
The electric field applied to the arc discharge may be either DC or AC. In this case, the arc discharge is a continuous discharge, but when a pulse or a rectangular wave-modulated high frequency is applied, the arc discharge becomes a pulse discharge whose discharge form changes with time.
If the duty is 50% or less, the influence of plasma and afterglow at the beginning of the arc discharge becomes large, and properties different from those at the time of continuous arc discharge are generated. At the beginning of the arc discharge, the plasma impedance is high, so
The voltage applied in the space increases. That is, the energy obtained per electron in the plasma is large, and the electron temperature is high. At this time, the source gas existing in the plasma space is efficiently excited. Next, the plasma becomes an afterglow from when the applied power is stopped. At this time, there is no external electric field applied to the space, but only an internal electric field existing in the space. This internal electric field also quickly disappears due to recombination of ions and electrons in the afterglow. In continuous arc discharge, film growth occurs selectively due to electric field concentration at minute projections on the surface of the substrate, causing pinholes and voids. Electric field concentration does not occur, so that a high-quality film without pinholes or voids is formed. That is, when a pulse or a rectangular wave-modulated high frequency is used, a film-forming precursor such as a cluster efficiently activated uniformly adheres to the substrate surface, so that a high-quality film with a high film-forming speed can be obtained. Further, in the pulse discharge, only the initial stage of avalanche collapse before the electrode is heated can be selectively used, so that the effect of protecting the electrode is also produced. Note that the pulse cycle is suitably several milliseconds, which is equal to the time at which the afterglow disappears.

【0019】本発明のアーク放電空間の形状は最も簡単
なもので同心円筒状とすることができる。前記外側に同
心円状に配置される接地電極と前記中心部の第1電極間
の隙間は5mm以下、好ましくは1mm以下とするのが
よい。同心円筒状は例えて言えば点光源の如きもので、
移動させなければ基体表面上に点状に被膜が形成され
る。よって広い面積の基体に被膜を均一に成膜しようと
すれば、基体もしくは被膜形成装置を移動させる必要が
ある。基体が平面の場合は2軸駆動装置(X−Yテーブ
ル)を組み合わせればよい。更にあと1軸追加して(X
−Y−Zテーブル)、コンピューター等で制御すれば任
意の曲面に成膜することが可能である。
The arc discharge space of the present invention has the simplest shape and can be concentric cylindrical. The gap between the ground electrode arranged concentrically on the outside and the first electrode at the center may be 5 mm or less, preferably 1 mm or less. Concentric cylinders are like point light sources,
If not moved, a coating is formed on the surface of the substrate in a dot-like manner. Therefore, in order to uniformly form a film on a substrate having a large area, it is necessary to move the substrate or the film forming apparatus. When the base is flat, a two-axis driving device (XY table) may be combined. Add one more axis (X
-YZ table), a film can be formed on an arbitrary curved surface if controlled by a computer or the like.

【0020】使用するパージガスとしては、非酸化性の
気体が使用される。例えば、窒素、アルゴン、へリウ
ム、クリプトン等が代表的である。これら気体の役目は
アーク放電領域と大気成分の遮蔽であり、大気成分の
内、特に酸素と反応空間を遮断し、これら大気成分がア
ーク放電によって形成される被膜中に混入することを防
止するものである。このパージガスの導入方法としては
アーク放電領域を取り囲むように例えば前述の同心円状
の膜形成装置の場合では、外側電極を取り囲むようにそ
の外側に導出用のノズルまたは導出口を設け、アーク放
電領域を取り囲むようにパージガスを導入する。この
際、パージガスの量はアーク放電雰囲気ガスより相当多
く導入され、かつパージガス自身が放電しないように、
高めの圧力で導入することがよい。
As a purge gas to be used, a non-oxidizing gas is used. For example, nitrogen, argon, helium, krypton and the like are typical. The role of these gases is to shield the arc discharge region and atmospheric components, and to block the atmospheric components, especially oxygen, and the reaction space, and to prevent these atmospheric components from being mixed into the film formed by the arc discharge. It is. As a method of introducing the purge gas, for example, in the case of the above-described concentric film forming apparatus so as to surround the arc discharge region, a discharge nozzle or outlet is provided outside the outer electrode so as to surround the outer electrode, and the arc discharge region is formed. A purge gas is introduced so as to surround it. At this time, the amount of the purge gas is considerably larger than the arc discharge atmosphere gas, and the purge gas itself is not discharged,
It is better to introduce at a higher pressure.

【0021】従来大気圧アーク放電の問題点である粉の
発生は膜前駆体(クラスター)が基体表面に輸送される
以前に、空間中で成長し、大きくなりすぎたものであ
る。これを防止するには空間中での反応速度を落とす、
イオン、ラジカル、膜前駆体等を被膜表面に積極的に輸
送する、基板表面の反応速度を上げる、等の対策をこう
じる必要がある。これら、対策の方法として磁場効果の
利用、基板へのバイアスの印加がある。
The generation of powder, which is a problem of the atmospheric pressure arc discharge, is that the film precursor (cluster) grows in space before being transported to the substrate surface, and becomes too large. To prevent this, reduce the reaction speed in space,
It is necessary to take measures such as positively transporting ions, radicals, film precursors, and the like to the film surface, and increasing the reaction rate on the substrate surface. These countermeasures include utilization of the magnetic field effect and application of a bias to the substrate.

【0022】大気圧アーク放電によりできたアーク放電
雰囲気ガスのプラズマ中の活性種を被膜形成用基体まで
確実に輸送する為の工夫として、本発明では基体へのバ
イアス電界の印加とアーク放電プラズマへの磁界の印加
を行う。プラズマに対して磁界を印加する手段としては
種々の方法がある。例えば、アーク放電装置に対抗した
位置の被膜形成用基体の背面に一般に知られている永久
磁石を設置したり、アーク放電装置のアーク放電領域近
傍にソレノイドコイルを設け磁界を印加すること、およ
びそれらの組み合わせがある。いずれの場合にも、印加
される磁界の方向は常圧アーク放電によりできたアーク
放電雰囲気ガスのプラズマ中の活性種を被膜形成用基体
まで確実に輸送するようにこれらの磁場発生手段が設け
られる。このプラズマへの磁場の印加は主として、スピ
ンを持ったラジカル種、電子及びイオン化した活性種を
基体の被膜形成面にまで到達させる作用として機能す
る。これにより、基体表面付近の活性種の密度が高めら
れる。磁場の強さは強い方が良く、200ガウス以上、
好ましくは500ガウス以上が良い。
In order to reliably transport the active species in the plasma of the arc discharge atmosphere gas generated by the atmospheric pressure arc discharge to the substrate for film formation, the present invention applies a bias electric field to the substrate and applies a bias electric field to the arc discharge plasma. Is applied. There are various methods for applying a magnetic field to the plasma. For example, installing a generally known permanent magnet on the back surface of the film forming substrate at a position opposed to the arc discharge device, or applying a magnetic field by providing a solenoid coil near the arc discharge region of the arc discharge device, and There are combinations. In any case, these magnetic field generating means are provided so that the direction of the applied magnetic field is such that the active species in the plasma of the arc discharge atmosphere gas generated by the normal pressure arc discharge is transported to the film-forming substrate without fail. . The application of a magnetic field to the plasma mainly functions as an action of causing radical species having spin, electrons and ionized active species to reach the film forming surface of the substrate. Thereby, the density of the active species near the surface of the base is increased. The stronger the magnetic field, the better, more than 200 Gauss,
Preferably, it is 500 gauss or more.

【0023】また、磁場の効果はラジカルの輸送だけで
なく、プラズマの空間的な形状の制御に用いることも出
来る。これは、電子がサイクロトロン運動によって磁束
に沿って放電空間より引き出され、プラズマの電気的中
性条件を満たすためにイオンも同時に引き出されること
により、磁束に沿ってプラズマが変形する事を利用す
る。即ち、収束するような磁場を形成すればプラズマは
収束し、発散磁場を形成すればプラズマを広げることが
できる。また、ある方向に曲げるような磁場を形成すれ
ばプラズマを曲げることが出来る。これにより、直方体
の角や凹部、凸部のコーナー等プラズマの入りにくい部
位にも被膜を形成することが出来る。
The effect of the magnetic field can be used not only for transporting radicals but also for controlling the spatial shape of plasma. This utilizes the fact that electrons are extracted from the discharge space along the magnetic flux by cyclotron motion and ions are also extracted simultaneously to satisfy the electrical neutral condition of the plasma, so that the plasma is deformed along the magnetic flux. That is, if a converging magnetic field is formed, the plasma converges, and if a diverging magnetic field is formed, the plasma can be expanded. In addition, if a magnetic field that bends in a certain direction is formed, the plasma can be bent. This makes it possible to form a coating on portions where plasma does not easily enter, such as corners of a rectangular parallelepiped, corners of concave portions and corners of convex portions.

【0024】一方、基体へのバイアス電界印加の方法と
しては、基体とアーク放電電極間に直流または高周波の
電源によりバイアスを印加することがある。このバイア
ス電界によりプラズマ中のイオン活性種が基体側に引き
寄せられ、基体付近では高エネルギーのイオンの密度が
高められる。このイオンより原料ガスがエネルギーを受
取りラジカル種の密度が基体付近で高められることにな
る。
On the other hand, as a method of applying a bias electric field to the base, a bias may be applied between the base and the arc discharge electrode by a DC or high frequency power supply. Due to this bias electric field, ion active species in the plasma are attracted to the substrate side, and the density of high-energy ions near the substrate is increased. The source gas receives energy from these ions, and the density of radical species is increased near the substrate.

【0025】また、このバイアス電界により、イオンが
基体に衝突する。この衝突によりイオンより基体にエネ
ルギーが渡され、基体のごく表面に近い部分の温度が高
くなり、被膜の基体との密着性が向上し、基体表面での
膜形成の反応が促進される。即ち、バイアス電界により
基体に移動されたイオンによって、基体加熱と同じ効果
を実現することができる。尚、バイアス電界は基体と放
電電極間の距離が変化すると基体に加わる電界の効果は
著しく変化する。また、放電空間で発生したラジカルの
密度は放電空間から遠ざかる程低下するから、基体表面
でのラジカル密度は基体と放電電極間の距離に強く影響
され、成膜速度等が変化する。その為、基体と放電電極
間の距離は常に一定に保たれる必要があり、よって距離
測定装置及び距離制御機構が必要である。
Further, the ions collide with the substrate due to the bias electric field. Due to this collision, energy is transferred from the ions to the substrate, the temperature of a portion very close to the surface of the substrate is increased, the adhesion of the coating to the substrate is improved, and the reaction of film formation on the substrate surface is promoted. That is, the same effect as the heating of the substrate can be realized by the ions moved to the substrate by the bias electric field. When the distance between the base and the discharge electrode changes, the effect of the electric field applied to the base significantly changes. Further, since the density of radicals generated in the discharge space decreases as the distance from the discharge space increases, the radical density on the surface of the substrate is strongly affected by the distance between the substrate and the discharge electrode, and the film formation speed and the like change. Therefore, the distance between the base and the discharge electrode needs to be kept constant at all times, and thus a distance measuring device and a distance control mechanism are required.

【0026】バイアス電界の周波数はプラズマ中のイオ
ン密度で決まるイオンプラズマ周波数より低い周波数で
ある必要がある。イオンプラズマ周波数より低い周波数
であればバイアス電界によりイオンは振動し、その運動
エネルギーを基板に伝えられるからである。一般に1M
Hz以下が適当である。
The frequency of the bias electric field needs to be lower than the ion plasma frequency determined by the ion density in the plasma. If the frequency is lower than the ion plasma frequency, the ions vibrate due to the bias electric field, and their kinetic energy can be transmitted to the substrate. Generally 1M
Hz or less is appropriate.

【0027】これらの工夫により空間中で発生したラジ
カルは基板表面に確実に輸送され、また、基板表面での
反応は促進されるため、粉の少ない(即ちピンホールの
ない)緻密な被膜が高い製膜速度で製膜されることにな
る。
The radicals generated in the space by these measures are surely transported to the substrate surface, and the reaction on the substrate surface is promoted, so that a dense film with little powder (ie, without pinholes) is high. The film is formed at a film forming speed.

【0028】[0028]

【実施例1】本実施例では点状装置と該装置による被膜
形成方法について述べる。図1に装置断面図およびガス
系、電気系の系統図を同時に示す。中心導体(1)、パ
ージガスノズル(3)は同軸に配置され、中心導体
(1)は絶縁支持体(4)に支持されている。パージガ
スノズル(3)は外側接地電極も兼ねている。中心導体
(1)はタンタル、パージガスノズル(3)はステンレ
スで、中心導体(1)、パージガスノズル(3)ともに
プラズマとの接触面には電子放出物質としてMgOとC
aOの混合物質をコーティングされ、絶縁支持体(4)
はアルミナで構成されている。パージガスノズル(3)
は同軸円筒2重構造になっており、2重構造の間にパー
ジガスを約1気圧で導入し、吹き出し口(6)よりパー
ジガスを噴出させる。吹き出し口(6)は外周方向に吹
き出すように外向きになっている。中心導体(1)とパ
ージガスノズル(3)の間でアーク放電が発生し、ラジ
カルを生成する。発生したラジカルは基板(71)の方
向にガス流によって運ばれるが、本発明では更にソレノ
イド(61)及び永久磁石(62)を各々装置外周及び
基板ホルダー(70)裏側に配し、ラジカルを磁束に沿
って基板(71)の方向に引き出している。中心導体
(1)の外径は1mm、パージガスノズル(3)の内径
は1.7mmである。また、アーク放電空間の長さは2
0mmとした。基板(71)はポリカーボネートを用
い、常磁性体であるステンレス製の基板ホルダー(7
0)の上に設置した。基板(71)は積極的に加熱して
いない。アーク放電空間端から基板表面までの距離は1
mmとした。
[Embodiment 1] In this embodiment, a point-like device and a method for forming a film using the device will be described. FIG. 1 shows a sectional view of the apparatus and a system diagram of a gas system and an electric system at the same time. The central conductor (1) and the purge gas nozzle (3) are arranged coaxially, and the central conductor (1) is supported by an insulating support (4). The purge gas nozzle (3) also serves as an outer ground electrode. The central conductor (1) is made of tantalum, the purge gas nozzle (3) is made of stainless steel, and both the central conductor (1) and the purge gas nozzle (3) are made of MgO and C
an insulating support coated with a mixed material of aO (4)
Is composed of alumina. Purge gas nozzle (3)
Has a double coaxial cylinder structure, in which a purge gas is introduced at about 1 atm between the double structures, and the purge gas is ejected from the outlet (6). The outlet (6) is directed outward so as to blow in the outer peripheral direction. An arc discharge occurs between the center conductor (1) and the purge gas nozzle (3) to generate radicals. The generated radicals are carried by the gas flow in the direction of the substrate (71). In the present invention, the solenoids (61) and the permanent magnets (62) are further disposed on the outer periphery of the apparatus and on the back side of the substrate holder (70), respectively. Along the direction of the substrate (71). The outer diameter of the central conductor (1) is 1 mm, and the inner diameter of the purge gas nozzle (3) is 1.7 mm. The length of the arc discharge space is 2
0 mm. The substrate (71) is made of polycarbonate, and is made of a paramagnetic stainless steel substrate holder (7).
0). The substrate (71) is not actively heated. The distance from the arc discharge space edge to the substrate surface is 1
mm.

【0029】アーク放電空間内に導入されるガスは原料
ガスボンベ(11)より調圧器(21)により調圧さ
れ、ストップバルブ(31)を介して流量制御器(4
1)により流量を制御された原料ガスと、同様にヘリウ
ムガスポンベ(12)より調圧器(22)により調圧さ
れ、ストップバルブ(32)を介して流量性制御器(4
2)により流量を制御されたヘリウムガスが混合され、
アーク放電空間内に導入される。原料ガスボンベ(1
1)には水素ガスでバランスされた10%メタンガスが
充填されている。ヘリウムと原料ガスの混合比は99対
1とした(原料ガス1%)。ヘリウムと原料ガスの総流
量は100sccmである。
The gas introduced into the arc discharge space is pressure-regulated by a pressure regulator (21) from a raw material gas cylinder (11), and is supplied to a flow controller (4) via a stop valve (31).
The raw material gas whose flow rate is controlled by 1) and the pressure of the helium gas cylinder (12) are similarly regulated by a pressure regulator (22), and the flow rate controller (4) is controlled via a stop valve (32).
Helium gas whose flow rate is controlled by 2) is mixed,
It is introduced into the arc discharge space. Raw material gas cylinder (1
1) is filled with 10% methane gas balanced with hydrogen gas. The mixing ratio of helium and the source gas was 99: 1 (source gas 1%). The total flow rate of helium and the source gas is 100 sccm.

【0030】中心導体(1)に供給される電力はブロッ
キングコンデンサ(53)を介して高周波電源(51)
より供給される。電源周波数は50kHz、実効投入電
力は100Wとした。また、本発明の特徴であるバイア
ス電圧をバイアス電源(52)より高周波阻止コイル1
(55)、高周波阻止コイル2(56)を介して印加し
た。バイパスコンデンサ(54)は高周波阻止コイル1
(55)を通過した高周波電力を逃がし、バイアス電源
(52)を保護する役割を持っている。本実施例では印
加したバイアスは直流とし、電圧は基板ホルダーに対し
て−100Vとした。
The power supplied to the center conductor (1) is supplied to a high-frequency power supply (51) via a blocking capacitor (53).
Supplied by The power supply frequency was 50 kHz, and the effective input power was 100 W. Further, the bias voltage, which is a feature of the present invention, is supplied from the bias power supply (52) to the high-frequency blocking coil 1.
(55), the voltage was applied via the high frequency blocking coil 2 (56). The bypass capacitor (54) is a high-frequency blocking coil 1
It has a role of releasing high-frequency power passing through (55) and protecting the bias power supply (52). In this embodiment, the applied bias was DC, and the voltage was -100 V with respect to the substrate holder.

【0031】パージガスはボンベ(13)より調圧器
(23)により調圧され、ストップバルブ(33)を介
して流量制御器(43)により流量を制御されてパージ
ガスノズルに供給される。本実施例ではパージガスは窒
素を用いた。流量は1000sccmである。
The pressure of the purge gas is regulated by a pressure regulator (23) from a cylinder (13), and the flow rate of the purge gas is controlled by a flow controller (43) via a stop valve (33) to be supplied to a purge gas nozzle. In this embodiment, nitrogen was used as the purge gas. The flow rate is 1000 sccm.

【0032】前述のような装置と方法によりポリカーボ
ネート基板上に硬質炭素膜が成膜された。被膜の成膜速
度はアーク放電領域開口部の直下で1.0μm/min
と大変高い値でありながら、粉の発生は殆ど無く、ピン
ホールの少ない良質な膜であった。尚、微小押し込み硬
度計による硬度測定値は約3000kgf/mmであ
り、分光透過率測定における可視域での透過率は90%
以上とほぼ透明に近いものであった。また、FT−I
R、ラマン分光測定等によれば、sp3結合とsp2結
合の比は1.6対1とダイヤモンドに近い構造を有して
いることが分かった。
A hard carbon film was formed on a polycarbonate substrate by the above-described apparatus and method. The film formation rate was 1.0 μm / min immediately below the opening of the arc discharge region.
Although it was a very high value, almost no powder was generated, and the film was a good quality film with few pinholes. The hardness measured by the microindentation hardness tester was about 3000 kgf / mm 2 , and the transmittance in the visible region in the spectral transmittance measurement was 90%.
The above was almost transparent. Also, FT-I
According to R, Raman spectroscopy, and the like, the ratio of sp3 bond to sp2 bond was 1.6: 1, indicating that the structure had a structure close to that of diamond.

【0033】尚、本実施例では被膜形成装置を移動させ
ることはしなかったが、平面上を等速度で走査させれ
ば、大面積の基板にも均一に被膜を形成できることは言
うまでもない。
Although the film forming apparatus was not moved in this embodiment, it is needless to say that a film can be uniformly formed on a large-area substrate by scanning at a constant speed on a plane.

【0034】『比較例1』[Comparative Example 1]

【0035】本比較例では実施例1における磁場のない
場合について述べる。成膜等の条件は磁場のないことを
除き実施例1と同じである。この方法による形成された
被膜は比較例1と比べて硬度測定値、透過率は殆ど変わ
らないものの、成膜速度は若干小さくなり、粉の発生が
多く見られた。
In this comparative example, a case in which there is no magnetic field in the first embodiment will be described. The conditions for film formation and the like are the same as in Example 1 except that there is no magnetic field. The film formed by this method had almost no change in the hardness measurement value and transmittance as compared with Comparative Example 1, but the film formation rate was slightly reduced, and much powder was generated.

【0036】『比較例2』"Comparative Example 2"

【0037】本比較例では実施例1におけるバイアスの
ない場合について述べる。成膜等の条件はバイアスのな
いことを除き実施例1と同じである。この方法による形
成された被膜は比較例1と比べて硬度は減少し、透過率
は向上した。また、粉の発生は『比較例1』同様多く見
られた。成膜速度の変化は見られなかった。
In this comparative example, a case without bias in the first embodiment will be described. The conditions for film formation and the like are the same as those of the first embodiment except that there is no bias. The film formed by this method had a lower hardness and a higher transmittance than Comparative Example 1. Further, generation of powder was observed as much as in “Comparative Example 1”. No change in the film forming rate was observed.

【0038】『比較例3』"Comparative Example 3"

【0039】本比較例では実施例1におけるパージガス
のない場合について述べる。成膜等の条件はパージガス
のないことを除き実施例1と同じである。この方法によ
る形成された被膜はアーク放電領域開口部の直下に僅か
に被膜が形成されたのみで、成膜速度は10分の1程度
に低下した。これは酸素の混入により外周部近傍の被膜
がエッチングされたものと思われる。尚、硬度、透過率
に変化は見られなかった。
In this comparative example, the case where no purge gas is used in the first embodiment will be described. The conditions such as film formation are the same as those of the first embodiment except that no purge gas is used. In the film formed by this method, the film was slightly formed just below the opening of the arc discharge region, and the film formation speed was reduced to about one tenth. This is presumably because the coating near the outer periphery was etched by the incorporation of oxygen. No change was observed in hardness and transmittance.

【0040】[0040]

【発明の効果】大気圧においてヘリウムを主成分とする
ガスをアーク放電せしめ、該ガス中に原料となるガス
(硬質炭素膜の場合はメタン、水素等)を混合し、同時
に該アーク放電を包むように窒素等でパージを行い、磁
場とバイアス電圧を加えることにより、従来粉の発生が
著しくまた成膜速度が遅かったのが、粉の発生もなく、
成膜速度の高い良質の被膜を形成することが可能となっ
た。
According to the present invention, a gas containing helium as a main component is subjected to arc discharge at atmospheric pressure, and a gas as a raw material (methane, hydrogen, etc. in the case of a hard carbon film) is mixed into the gas, and the arc discharge is simultaneously wrapped. By purging with nitrogen or the like, and applying a magnetic field and a bias voltage, the generation of the conventional powder was remarkable and the deposition rate was slow.
It has become possible to form a high-quality coating film having a high film forming rate.

【0041】また、実施例では述べなかったが、凹部の
存在する表面でも、その部分に特に強く磁場を作用させ
ることにより、凹部の底や角においてもステップカバレ
ッジのよい膜が形成できた。
Although not described in the examples, a film having good step coverage was formed even at the bottom and corners of the concave portion by applying a magnetic field particularly strongly to the surface where the concave portion exists.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】同軸円筒状被膜形成装置の断面図とガス及び電
気系の系統図を示す。
FIG. 1 shows a sectional view of a coaxial cylindrical film forming apparatus and a system diagram of gas and electric systems.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 中心導体 3 パージガスノズル 4 絶縁支持体 61 ソレノイド磁石 62 永久磁石 11 原料ガスボンベ 12 ヘリウムボンベ 13 パージガスボンベ 51 高周波電源 52 バイアス電源 61 ソレノイド磁石 62 永久磁石 71 基板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Central conductor 3 Purge gas nozzle 4 Insulating support 61 Solenoid magnet 62 Permanent magnet 11 Raw material gas cylinder 12 Helium cylinder 13 Purge gas cylinder 51 High frequency power supply 52 Bias power supply 61 Solenoid magnet 62 Permanent magnet 71 Substrate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−239189(JP,A) 特開 昭63−277767(JP,A) 特開 昭58−379(JP,A) 特開 平2−156089(JP,A) 特開 平2−254170(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-2-239189 (JP, A) JP-A-63-277767 (JP, A) JP-A-58-379 (JP, A) JP-A-2- 156089 (JP, A) JP-A-2-254170 (JP, A)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 被膜の形成されるべき基体に対して開口
を有するアーク放電空間と該アーク放電空間を包むよう
に配置したパージガスノズルを有し、 前記パージガスノズルから吹き出したパージガスが実質
的に前記アーク放電空間を大気雰囲気より遮断する被膜
形成装置であって、 前記アーク放電空間で生成したプラズマに電界及び磁界
を印加する手段を有することを特徴とする被膜形成装
置。
An arc discharge space having an opening with respect to a substrate on which a film is to be formed, and a purge gas nozzle disposed so as to surround the arc discharge space, wherein the purge gas blown from the purge gas nozzle substantially emits the arc gas. What is claimed is: 1. A film forming apparatus for shielding a discharge space from an atmospheric atmosphere, comprising: means for applying an electric field and a magnetic field to plasma generated in said arc discharge space.
【請求項2】 請求項1において、前記アーク放電空間
は、中心に配置された第1の電極と、該第1の電極の外
側に同心円状に配置された第2の電極で挟まれた空間で
あり、前記第1の電極と前記第2の電極の間隔が5mm
以下であることを特徴とする被膜形成装置。
2. The arc discharge space according to claim 1, wherein the arc discharge space is sandwiched between a first electrode disposed at the center and a second electrode disposed concentrically outside the first electrode. And the distance between the first electrode and the second electrode is 5 mm
A film forming apparatus characterized by the following.
【請求項3】 請求項1において、アーク放電用の電極
と基板との距離を一定に保つ制御機構を有することを特
徴とする被膜形成装置。
3. The film forming apparatus according to claim 1, further comprising a control mechanism for keeping a distance between the electrode for arc discharge and the substrate constant.
【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか一において、
前記基体が凸面もしくは凹面であることを特徴とする被
膜形成装置。
4. The method according to claim 1, wherein
A film forming apparatus, wherein the substrate has a convex surface or a concave surface.
【請求項5】 請求項1乃至4のいずれか一において、
前記形成される被膜はダイヤモンド、ダイヤモンドライ
クカーボン(DLC),BN X ,BCX ,BP X ,Si
X ,SiC X ,SiOX AlO X ,TaN X ,Ta
X ,TaO X ,TiN X ,TiC X ,TiO X ,Zr
X ,ZrC X ,ZrO X ,HfC X ,HfN X ,VC
X ,NbC X ,WC X より選ばれた1種類の単一層もし
くは2種類以上の複数層を積層した構成であることを特
徴とする被膜形成装置。
5. The method according to claim 1, wherein:
The coating formed is diamond, diamond-like carbon (DLC), BN x , BC x , BP x , Si
N X, SiC X, SiO X , AlO X, TaN X, Ta
C X , TaO X , TiN X , TiC X , TiO X , Zr
N X, ZrC X, ZrO X , HfC X, HfN X, VC
A film forming apparatus having a structure in which one kind of single layer selected from X , NbC X , and WC X or two or more kinds of layers are laminated.
【請求項6】 被膜の形成されるべき基体に対して開口
を有するアーク放電空間と該アーク放電空間を包むよう
に配置したパージガスノズルを有する被膜形成装置を用
いた被膜形成方法であって、 前記パージガスノズルからパージガスを導入し、実質的
に前記アーク放電空間を大気雰囲気より遮断し、 被膜の原料ガスとヘリウムガスを混合し前記アーク放電
空間に導入し、 前記アーク放電空間にプラズマを生成させ、かつ前記ア
ーク放電空間と前記基体の間にスパッタを生じるような
電界を印加し、前記アーク放電空間で生成したプラズマ
に磁界を印加して前記基体に被膜を形成する方法を有す
ることを特徴とする被膜形成方法。
6. A film forming method using a film forming apparatus having an arc discharge space having an opening with respect to a substrate on which a film is to be formed and a purge gas nozzle disposed so as to surround the arc discharge space, wherein the purge gas is provided. Introducing a purge gas from a nozzle, substantially shutting off the arc discharge space from the air atmosphere, mixing a raw material gas for a coating film and a helium gas, introducing the mixture into the arc discharge space, generating plasma in the arc discharge space, and Coating characterized by comprising a method of applying a magnetic field to plasma generated in the arc discharge space by applying an electric field that causes spatter between the arc discharge space and the base to form a coating on the base. Forming method.
【請求項7】 請求項6において、前記アーク放電空間
にプラズマを生成させるため、パルスもしくは形変調
された高周波の電源により電界を印加してアーク放電さ
せることを特徴とする被膜形成方法。
7. The method of claim 6, wherein in order to generate a plasma in the arc discharge space, the film forming method characterized in that by applying an electric field to the arc discharge by power pulse or rectangle modulated high frequency.
【請求項8】 請求項6または請求項7において、 前記基体が凸面もしくは凹面であることを特徴とする被
膜形成方法。
8. The method according to claim 6, wherein the base is a convex surface or a concave surface.
【請求項9】 請求項6乃至8のいずれか一において、
前記形成される被膜はダイヤモンド、ダイヤモンドライ
クカーボン(DLC),BN X ,BCX ,BP X ,Si
X ,SiC X ,SiOX AlO X ,TaN X ,Ta
X ,TaO X ,TiN X ,TiC X ,TiO X ,Zr
X ,ZrC X ,ZrO X ,HfC X ,HfN X ,VC
X ,NbC X ,WC X より選ばれた1種類の単一層もし
くは2種類以上の複数層を積層した構成であることを特
徴とする被膜形成方法。
9. The method according to claim 6, wherein
The coating formed is diamond, diamond-like carbon (DLC), BN x , BC x , BP x , Si
N X, SiC X, SiO X , AlO X, TaN X, Ta
C X , TaO X , TiN X , TiC X , TiO X , Zr
N X, ZrC X, ZrO X , HfC X, HfN X, VC
A method for forming a coating film comprising a single layer selected from X , NbC X , and WC X or a structure in which two or more layers are stacked.
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