JP3000210B2 - Method for forming carbon or carbon-based coating - Google Patents

Method for forming carbon or carbon-based coating

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JP3000210B2
JP3000210B2 JP9114269A JP11426997A JP3000210B2 JP 3000210 B2 JP3000210 B2 JP 3000210B2 JP 9114269 A JP9114269 A JP 9114269A JP 11426997 A JP11426997 A JP 11426997A JP 3000210 B2 JP3000210 B2 JP 3000210B2
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Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は光学的エネルギバン
ド巾が1.0eV 以上特に1.5 〜5.5eV を有する炭素または
炭素を主成とする被膜を被形成面上にコーティングする
ことにより、これら固体の表面の補強材、または機械ス
トレスにたいする保護材を得ようとする複合体に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for coating a surface of a solid having carbon or carbon-based film having an optical energy bandwidth of 1.0 eV or more, particularly 1.5 to 5.5 eV, on a surface to be formed. And a composite which seeks to obtain a reinforcing material or a protective material against mechanical stress.

【0002】[0002]

【従来の技術】炭素膜のコーティングに関しては、本発
明人の出願になる特許願「炭素被膜を有する複合体及び
その作製方法」(特願昭56-146936 号昭和56年 5月17日
出願)が知られている。
2. Description of the Related Art With respect to coating of a carbon film, a patent application “composite having a carbon film and a method for producing the same” filed by the present inventors (Japanese Patent Application No. 56-146936, filed on May 17, 1981). It has been known.

【0003】また炭素膜は耐摩耗材であると同時に高平
滑性、高熱伝導性等多くの特性を有しており、電気部品
その他に応用が期待されている。
[0003] The carbon film is not only a wear-resistant material but also has many characteristics such as high smoothness and high thermal conductivity, and is expected to be applied to electric parts and the like.

【0004】被形成面上にダイヤモンド類似の硬さを有
するアモルファス(非晶質)または5 〜200 Åの大きさ
の微結晶性を有するセミアモルファス( 半非晶質) 構造
を有する炭素または炭素を主成分とする被膜を形成する
場合、被形成面を有する基板を設けた高周波印加電極の
近傍において、プラズマ中の電子が高周波印加電極に蓄
積されることによって生じるセルフバイアスにより加速
された正イオン( 例えばH + ) を、形成中の炭素または
炭素を主成分とする被膜に衝突させることにより、その
炭素または炭素を主成分とする被膜をより硬度の大き
な、ダイヤモンドに近い構造を持った炭素膜を作ること
を行なってきた。これは正イオンを衝突させることでC
=Cのような二重結合を有する炭素の割合を減らしてC
−Cの結合をゆうする炭素を増やしたり、あるいは炭素
原子に結合している水素原子をなくすことにより sp2
成軌道をもついわゆる三方炭素やsp混成軌道をもついわ
ゆる二方炭素を無くし sp3混成軌道をもったいわゆる四
方炭素の割合を増やすことによりダイヤモンド結合を生
じやすくするためである。
On the surface to be formed, carbon or carbon having an amorphous (amorphous) structure similar to diamond or a semi-amorphous (semi-amorphous) structure having microcrystallinity of 5 to 200 mm is deposited. In the case of forming a film containing a main component, in the vicinity of a high-frequency application electrode provided with a substrate having a surface to be formed, positive ions accelerated by self-bias generated by accumulation of electrons in plasma in the high-frequency application electrode ( For example, by colliding H + ) with carbon or a film containing carbon as a main component, the carbon film containing carbon or carbon as a main component is formed into a carbon film having a higher hardness and a structure close to diamond. I've been making things. This is because positive ions collide with C
= C by reducing the proportion of carbon having a double bond such as C
By increasing the number of carbons that can bond to --C or eliminating hydrogen atoms bonded to carbon atoms, so-called three-way carbons with sp 2 hybridized orbitals or so-called two-way carbons with sp hybridized orbitals are eliminated, and sp 3 hybridized This is because diamond bonding is easily caused by increasing the ratio of so-called tetragonal carbon having orbits.

【0005】従ってより硬度の大きい炭素または炭素を
主成分とする被膜を作成しようとするときは、高周波印
加電極近傍に発生するセルフバイアスを大きくして正イ
オンの加速を大きくしなければならない。
Therefore, when attempting to form a carbon film having a higher hardness or a film containing carbon as a main component, it is necessary to increase the self-bias generated in the vicinity of the high frequency application electrode to increase the acceleration of positive ions.

【0006】このセルフバイアスを増加させるために行
われている方法としては、先ず第1に反応圧力を減少さ
せる方法がある。これは炭素または炭素を主成分とする
被膜形成に使用する炭化水素化物気体の圧力を減少させ
ることにより単位体積中に含まれる炭化水素化物気体分
子の個数が減少するため、相対的に気体を分解するため
に加えられている高周波エネルギの出力が大きくなりプ
ラズマ中の電子が増大して高周波印加電極に蓄積される
ためセルスバイアスが増大するということに基づくもの
である。
As a method for increasing the self-bias, there is firstly a method for reducing the reaction pressure. This is because the number of hydrocarbon gas molecules contained in a unit volume is reduced by reducing the pressure of carbon or the hydrocarbon gas used to form a film containing carbon as a main component, and the gas is relatively decomposed. This is based on the fact that the output of the high-frequency energy applied to the plasma increases to increase the electrons in the plasma and accumulate in the high-frequency application electrode, thereby increasing the cell bias.

【0007】また、高周波エネルギの出力を増大させる
方法があるが、これは上述した如く、気体を分解するエ
ネルギが増大するとプラズマ中の電子が増大するため
に、高周波印加電極への電子の蓄積が増大してセルフバ
イアスが大きくなることによるものである。
There is also a method of increasing the output of high-frequency energy. However, as described above, when the energy for decomposing gas increases, the electrons in the plasma increase. This is because the self-bias increases due to the increase.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら炭素また
は炭素を主成分とする被膜を形成する際に水素または酸
素等の添加物を加えることによりセルフバイアスを大き
くして成膜することは全く知られていない。
However, it is completely known that when forming a film containing carbon or carbon as a main component, the film is formed by adding an additive such as hydrogen or oxygen to increase the self-bias. Absent.

【0009】本発明は炭素または炭素を主成分とする被
膜を形成する際に水素または酸素等の添加物を加えると
セルフバイアスが大きくなるという知見に基づいて成さ
れたものであり硬度のおおきな炭素または炭素を主成分
とする被膜を作成することを目的としている。
The present invention has been made based on the finding that the addition of an additive such as hydrogen or oxygen when forming a coating containing carbon or carbon as a main component increases the self-bias. Alternatively, the purpose is to form a coating containing carbon as a main component.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は上記の知見に基
づいて、被形成面を有する基板に接して設けられた第1
の電極と第2の電極との間に直流または高周波エネルギ
を加えて、発生させたプラズマにより炭化水素化物気体
とまたはこれに加えて添加物気体とを分解反応せしめて
上記被形成面上に炭素膜を形成する方法において、炭素
膜形成の際、水素または酸素を添加することとしたもの
である。
SUMMARY OF THE INVENTION Based on the above findings, the present invention provides a method for forming a first substrate provided in contact with a substrate having a surface to be formed.
DC or high-frequency energy is applied between the first electrode and the second electrode, and the generated plasma causes a decomposition reaction between the hydrocarbon gas or the additive gas and the carbon gas on the surface to be formed. In the method of forming a film, hydrogen or oxygen is added when forming a carbon film.

【0011】また、本発明は、被形成面を有する基板に
接して設けられた第1の電極と第2の電極との間に直流
または高周波エネルギを加えて、発生させたプラズマに
より炭化水素化物気体とまたはこれに加えて添加物気体
とを分解反応せしめて上記被形成面上に炭素膜を形成す
る方法において、炭素膜形成の際、水素または酸素の添
加量を変化させることにより形成される炭素または炭素
を主成分とする被膜の硬度を被形成面側より炭素膜表面
に向かって増加させることとしたものである。以下に実
施例と共に本発明を具体的に説明する。
[0011] Further, the present invention provides a method for applying a direct current or a high frequency energy between a first electrode and a second electrode provided in contact with a substrate having a surface to be formed, and generating the hydrocarbon by a plasma generated. In the method of forming a carbon film on the surface to be formed by subjecting a gas and / or an additive gas to a decomposition reaction to form a carbon film on the formation surface, the carbon film is formed by changing the amount of hydrogen or oxygen added. The hardness of carbon or a film containing carbon as a main component is increased from the surface on which the carbon is formed to the surface of the carbon film. Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to Examples.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】図1は本発明の炭素または炭素を
主成分とする被膜を形成するためのプラズマCVD装置
の概要を示す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an outline of a plasma CVD apparatus for forming carbon or a film containing carbon as a main component according to the present invention.

【0013】図1のドーピング系(1) において、添加物
である水素または酸素を(2) より、反応性気体である炭
化水素気体例えばメタン、エチレンを(3) より、III 価
不純物のジボラン(水素希釈)(4) 、V価不純物のアン
モニアまたはフォスヒンを(5) よりバルブ(6) 、流量計
(7) をへて反応系(8) 中にノズル(9) より導入される。
このノズルに至る前に、反応性気体の励起用にマイクロ
波エネルギを(10)で加えて予め活性化させることは有効
である。
In the doping system (1) of FIG. 1, hydrogen or oxygen as an additive is converted from (2), and a hydrocarbon gas such as methane or ethylene as a reactive gas is converted from (3) to diborane (III) impurity. Hydrogen dilution) (4), V-impurity ammonia or phosphine from (5) valve (6), flow meter
After passing through (7), it is introduced into the reaction system (8) through the nozzle (9).
Before reaching the nozzle, it is effective to add microwave energy (10) to excite the reactive gas to activate it in advance.

【0014】反応系(8) には第1の電極(11)、第2の電
極(12)を設けた。一対の電極(11)、(12)間には高周波電
源(13)、マッチングトランス(14)、直流バイヤス電源(1
5)より電気エネルギが加えられ、プラズマが発生する。
排気系(16)は圧力調整バルブ(17)、ターボ分子ポンプ(1
8)、ロータリーポンプ(19)をへて不用気体を排気する。
The reaction system (8) was provided with a first electrode (11) and a second electrode (12). A high frequency power supply (13), a matching transformer (14), and a DC bias power supply (1) are provided between the pair of electrodes (11) and (12).
5) Electric energy is applied to generate plasma.
The exhaust system (16) has a pressure regulating valve (17) and a turbo molecular pump (1
8) The unnecessary gas is exhausted through the rotary pump (19).

【0015】反応性気体には、反応空間(20)における圧
力が0.001 〜10torr代表的には0.01〜0.5torr の下で高
周波もしくは直流によるエネルギにより0.1 〜5KW のエ
ネルギが加えられる。
When the pressure in the reaction space (20) is 0.001 to 10 torr, typically 0.01 to 0.5 torr, an energy of 0.1 to 5 kW is applied to the reactive gas by high frequency or DC energy.

【0016】特に励起源が 1GHZ 以上、例えば2.45GHZ
の周波数にあっては、C-H 結合より水素を分離し、さら
に周波数源が0.1 〜50MHZ 例えば13.56MHzの周波数にあ
ってはC-C 結合、C=C 結合を分解し、-C-C- 結合を作
り、炭素の不対結合手同志を互いに衝突させて共有結合
させ、安定なダイヤモンド構造を局部的に有した構造と
させ得る。
[0016] In particular, the excitation source is 1GH Z or more, for example 2.45GH Z
In the frequency, to separate hydrogen from the CH bond, further frequency source CC bonds In the frequency of 0.1 ~50MH Z for example 13.56 MHz, to decompose the C = C bond, make -CC- bond, Unpaired carbon atoms can collide with each other to form a covalent bond to form a structure locally having a stable diamond structure.

【0017】直流バイアスは-200〜600V( 実質的には-4
00〜+400V)を加える。なぜなら、直流バイアスが零のと
きは自己バイアスが-200V(第2の電極を接地レベルとし
て)を有しているためである。
DC bias is -200 to 600V (effectively -4
00 to + 400V). This is because when the DC bias is zero, the self-bias has -200 V (the second electrode is at the ground level).

【0018】炭化水素化物気体としては、メタン(C
H4)、エタン(C2H6)、エチレン(C2H4)、メタン系炭化
水素(Cn H2n+2)等の気体または珪素を一部に含んだ場合
はテトラメチルシラン((CH3)4Si)、テトラエラルシラン
((C2H5)4Si) のような炭化珪素であっても、また四塩化
炭素(CCl4)のような塩化炭素であってもよい。
As the hydrocarbon gas, methane (C
H 4), ethane (C 2 H 6), ethylene (C 2 H 4), methane hydrocarbon (C n H 2n + 2) gas or silicon if included in a part of such tetramethylsilane (( CH 3 ) 4 Si), tetraeralsilane
It may be silicon carbide such as ((C 2 H 5 ) 4 Si) or carbon chloride such as carbon tetrachloride (CCl 4 ).

【0019】第1の電極は冷却手段を有しており、被形
成面上の温度を250 〜-100℃に保持させた。
The first electrode had a cooling means, and the temperature on the surface to be formed was kept at 250 to -100 ° C.

【0020】本発明に用いられる被形成面としては、P
ET(ポリエチレンテレフタレート)、PES、PMM
A、テフロン、エポキシ、ポリイミド等の有機樹脂基体
または金属メッシュ状キャリア、紙等テープ状キャリ
ア、ガラス、金属、セラミック、半導体、磁気ヘッド用
部材、磁気ディスク等がある。.
The surface to be formed used in the present invention is P
ET (polyethylene terephthalate), PES, PMM
A, an organic resin substrate such as Teflon, epoxy, polyimide or the like, a metal mesh carrier, a tape carrier such as paper, glass, metal, ceramic, semiconductor, a member for a magnetic head, a magnetic disk, and the like. .

【0021】図2は、図1に示す装置においてメタンを
100 SCCMの流量で導入し、高周波エネルギー60W を加
え、反応圧力10Paの条件で水素または酸素の添加量を変
化させた時のセルフバイアスの変化を示したものであ
る。
FIG. 2 shows that methane is produced in the apparatus shown in FIG.
This graph shows the change in self-bias when the amount of hydrogen or oxygen added was changed under the conditions of a flow rate of 100 SCCM, high-frequency energy of 60 W, and a reaction pressure of 10 Pa.

【0022】水素または酸素を添加した時は明らかにセ
ルフバイアスが増加していることが示されている。比較
としてNF3 の添加を行ってみたがセルフバイアスが逆
に小さくなっていることが示されている。
It is apparent that the self-bias is clearly increased when hydrogen or oxygen is added. As a comparison, addition of NF 3 indicates that the self-bias is conversely small.

【0023】また図3には図2同様図1に示す装置にお
いてメタンを100 SCCMの流量で導入し、高周波エネルギ
600Wを加え、反応圧力10Paの条件で15分間成膜した場合
の水素または酸素の添加量とビッカース硬度との関係を
示す。水素または酸素の添加によりビッカース硬度の大
きな炭素または炭素を主成分とする被膜が得られること
がしめされている。ここでもNF3 の添加によるビッカ
ース硬度の変化を比較してみたが逆に添加量に伴ってビ
ッカース硬度が小さくなっている。
FIG. 3 shows a system similar to FIG. 2 in which methane is introduced at a flow rate of 100 SCCM in the apparatus shown in FIG.
6 shows the relationship between the amount of hydrogen or oxygen added and Vickers hardness when a film is formed for 15 minutes at a reaction pressure of 10 Pa with 600 W applied. It has been shown that by adding hydrogen or oxygen, a carbon film having a high Vickers hardness or a film containing carbon as a main component can be obtained. Again, the change in Vickers hardness due to the addition of NF 3 was compared, but conversely, the Vickers hardness decreased with the addition amount.

【0024】図4に図3に示した条件と同じ条件下で作
成した炭素または炭素を主成分とする被膜の水素または
酸素の添加量と膜厚との関係を示したものである。水素
または酸素の添加により膜厚は薄く成っていることがし
めされているが図5に示したNF3 を用いた同じ条件に
よる実験の結果では添加量と共に膜厚は厚くなってい
る。
FIG. 4 shows the relationship between the amount of hydrogen or oxygen added and the film thickness of carbon or a film containing carbon as a main component, which was formed under the same conditions as those shown in FIG. Although it is shown that the film thickness is reduced by the addition of hydrogen or oxygen, the result of an experiment under the same conditions using NF 3 shown in FIG. 5 shows that the film thickness increases with the addition amount.

【0025】また本発明は被形成面上に炭素または炭素
を主成分とする被膜をコーティングし、その表面での耐
摩耗性等の機械的強度を補強しようというものであり、
そのためのダイヤモンド類似の硬さを有した炭素または
炭素を主成分とする被膜を被形成面上に直接形成させる
のではなく、被形成面に密接する部分から徐々に硬度を
上げてゆき、所望の膜厚のときに所望の硬度の炭素また
は炭素を主成分とする被膜が得られるように添加物気体
の添加量を変化させることに特徴を有する。
Further, the present invention is intended to coat carbon or a film containing carbon as a main component on the surface to be formed to reinforce mechanical strength such as abrasion resistance on the surface.
For this purpose, instead of directly forming a carbon film having a hardness similar to diamond or a film containing carbon as a main component on the surface to be formed, the hardness is gradually increased from a portion close to the surface to be formed, and a desired hardness is obtained. It is characterized in that the addition amount of the additive gas is changed so that carbon or a film containing carbon as a main component having a desired hardness can be obtained when the film thickness is large.

【0026】被形成面上に直接ダイヤモンド類似の硬さ
を有した膜を形成させようとするとセルフバイアスを大
きくして炭素または炭素を主成分とする被膜を形成させ
ることを行わなければならず、被形成面へのスパッタは
避けることはできないが、被形成面上に密接した炭素ま
たは炭素を主成分とする被膜は、被形成面に損傷を与え
ない程度のセルフバイアスで作り得る硬さの炭素または
炭素を主成分とする被膜にしておき、徐々に硬度を上げ
た膜を積層させて、表面には所望の硬度を有した炭素ま
たは炭素を主成分とする被膜を形成すれば、被形成面と
の密接性も良くしかも大きな硬度を有した炭素または炭
素を主成分とする被膜を形成することができる。
In order to form a film having a hardness similar to diamond directly on the surface to be formed, the self-bias must be increased to form a film containing carbon or carbon as a main component. Sputtering on the surface to be formed cannot be avoided, but carbon or a film containing carbon as a main component that is close to the surface to be formed has a hardness of carbon that can be formed with a self-bias that does not damage the surface to be formed. Alternatively, a film containing carbon as a main component is formed, and a film whose hardness is gradually increased is laminated, and a carbon film having a desired hardness or a film containing carbon as a main component is formed on the surface. Carbon or a coating containing carbon as a main component, which has good close contact with carbon and has high hardness.

【0027】この場合、硬度の小さい膜から硬度の大き
い膜を何層かに別けて積層する方法と硬度を連続的に変
えて、単層の中で硬度が連続的に変化した炭素または炭
素を主成分とする被膜を形成させる方法とがある。
In this case, by changing the method of laminating a film having a small hardness from a film having a high hardness into several layers and continuously changing the hardness, carbon or carbon having a continuously changed hardness in a single layer is removed. There is a method of forming a coating as a main component.

【0028】本発明では被形成面をカソード電極に置い
た。これは被形成面をアノード側に置いたときとカソー
ド側に置いたときとの形成された炭素膜の膜質を比較し
た場合、カソード側に被形成面を置いたときの方が硬度
の大きな炭素膜が速い成膜速度で得られるからである。
In the present invention, the surface to be formed is placed on the cathode electrode. This is because, when comparing the film quality of the carbon film formed when the surface to be formed is placed on the anode side and when the film surface is placed on the cathode side, the carbon film having the higher hardness when the surface to be formed is placed on the cathode side is used. This is because a film can be obtained at a high deposition rate.

【0029】以上のようにしてプラズマにより被形成面
上にビッカース硬度2000Kg/mm2以上を有するとともに、
熱伝導度2.5W/cm deg 以上のC-C 結合を多数形成したア
モルファス構造または微結晶構造を有するアモルファス
構造の炭素を生成させた。さらにこの電磁エネルギは50
W 〜1KW を供給し、単位面積あたり0.03〜3W/cm2のプラ
ズマエネルギを加えた。
As described above, a Vickers hardness of 2000 kg / mm 2 or more is formed on the surface to be formed by the plasma.
Amorphous carbon with a large number of CC bonds with thermal conductivity of 2.5 W / cm deg or higher was formed. In addition, this electromagnetic energy is 50
Supplying W ~1KW, it was added plasma energy 0.03~3W / cm 2 per unit area.

【0030】[0030]

【実施例】【Example】

〔実施例1〕図1に示した装置において、被形成面を有
した基板上に本発明方法により炭素膜を形成した。
Example 1 In the apparatus shown in FIG. 1, a carbon film was formed on a substrate having a surface to be formed by the method of the present invention.

【0031】先ず反応系にノズルより水素を10SCCM、メ
タンを100 SCCMの流量で水素の添加されたメタンを導入
し、圧力を0.03torrに保持し、メタンに対し50Wの高
周波エネルギを加え、セルフバイアス−150Vの条件
で室温に保持されたSi基板上に150分間膜形成を行
い、第1の層を形成した。次にノズルより水素を50SCC
M、メタンを100 SCCMの流量で水素の添加されたメタン
を導入し、圧力を0.015 torrに保持してメタンに対し1
00Wの高周波エネルギを加え、セルフバイアス−20
0Vの条件で被形成面を150℃に保持して150分間
膜形成を行い第2の層とした。
First, methane to which hydrogen was added at a flow rate of 10 SCCM of hydrogen and methane at a flow rate of 100 SCCM from a nozzle was introduced into the reaction system, the pressure was maintained at 0.03 torr, high frequency energy of 50 W was applied to methane, and self-biasing was performed. A film was formed on an Si substrate kept at room temperature under the condition of -150 V for 150 minutes to form a first layer. Next, 50SCC hydrogen from nozzle
M, methane was introduced at a flow rate of 100 SCCM with methane to which hydrogen was added, and the pressure was maintained at 0.015 torr.
00W high frequency energy, and self bias -20
The film was formed for 150 minutes while the surface to be formed was kept at 150 ° C. under the condition of 0 V to form a second layer.

【0032】そして第2の層上にノズルより水素を80SC
CM、メタンを100 SCCMの流量で水素の添加されたメタン
を導入し、反応系を0.015 torrに保持してメタンに対し
200Wの高周波エネルギを加え、セルフバイアス−2
80Vの条件で被形成面を室温に保持して60分間膜形
成を行い第3の層とした。これら3つの層のビッカース
硬度を測定したところ第1の層は2200Kg/mm2、第2
の層は3500Kg/mm2、第3の層は4200Kg/mm2、で
ありダイヤモンド類似の硬さを表面に有した炭素膜を被
形成面との密着性を良く形成させることができた。
Then, hydrogen was supplied to the second layer from the nozzle by 80 SC.
CM and methane were introduced at a flow rate of 100 SCCM with methane to which hydrogen was added, the reaction system was maintained at 0.015 torr, high-frequency energy of 200 W was applied to methane, and self-bias-2
A film was formed for 60 minutes while the surface to be formed was kept at room temperature under the condition of 80 V to form a third layer. When the Vickers hardness of these three layers was measured, the first layer was 2200 kg / mm 2 ,
The layer was 3500 kg / mm 2 and the third layer was 4200 kg / mm 2 , and a carbon film having a hardness similar to diamond on the surface could be formed with good adhesion to the surface to be formed.

【0033】〔実施例2〕反応系にノズルより酸素を10
SCCM、メタンを100 SCCMの流量で酸素の添加されたメタ
ンを導入し、圧力を0.03torrに保持し、メタンに対し5
0Wの高周波エネルギを加え、セルフバイアス−150
Vの条件で室温に保持されたSi基板上に150分間膜形
成を行い、第1の層を形成した。次にノズルより酸素を
50SCCM、メタンを100 SCCMの流量で酸素の添加されたメ
タンを導入し、圧力を0.015 torrに保持してメタンに対
し100Wの高周波エネルギを加え、セルフバイアス−
200Vの条件で被形成面を150℃に保持して150
分間膜形成を行い第2の層とした。そして第2の層上に
ノズルより酸素を80SCCM、メタンを100 SCCMの流量で酸
素の添加されたメタンを導入し、反応系を0.015 torrに
保持してメタンに対し200Wの高周波エネルギを加
え、セルフバイアス−280Vの条件で被形成面を室温
に保持して60分間膜形成を行い第3の層とした。
Example 2 Oxygen was added to the reaction system from the nozzle by 10
SCCM, methane was introduced at a flow rate of 100 SCCM with oxygen-added methane, the pressure was maintained at 0.03 torr, and 5
0 W high frequency energy is applied, and the self-bias is -150.
A film was formed on an Si substrate kept at room temperature under the condition of V for 150 minutes to form a first layer. Next, oxygen from the nozzle
50 SCCM, methane is introduced at a flow rate of 100 SCCM with methane to which oxygen is added, and while maintaining the pressure at 0.015 torr, high-frequency energy of 100 W is applied to methane, and self-biasing is performed.
The surface to be formed is kept at 150 ° C. under the condition of 200 V,
A film was formed for 2 minutes to form a second layer. Then, methane to which oxygen was added was introduced from the nozzle at a flow rate of 80 SCCM and methane at a flow rate of 100 SCCM on the second layer. The film was formed for 60 minutes while maintaining the surface to be formed at room temperature under the condition of a bias of -280 V to form a third layer.

【0034】これら3つの層のビッカース硬度を測定し
たところ第1の層は2000Kg/mm2、第2の層は330
0Kg/mm2、第3の層は4000Kg/mm2、でありダイヤモ
ンド類似の硬さを表面に有した炭素膜を被形成面との密
着性を良く形成させることができた。
When the Vickers hardness of these three layers was measured, the first layer was 2000 kg / mm 2 , and the second layer was 330 kg / mm 2 .
0 kg / mm 2 and the third layer was 4000 kg / mm 2 , and a carbon film having a hardness similar to diamond on the surface could be formed with good adhesion to the surface on which the film was formed.

【0035】〔実施例3〕被形成面を有する基板の置か
れた反応系に水素を30SCCM、メタンを100 SCCMの流量で
水素の添加されたメタンを導入し、圧力を0.03torrに保
持し、メタンに対し100 Wの高周波エネルギを加え、1
50分間膜形成を行い、第1の層を形成した。次に第1
の層の上に、水素の流量が50SCCMである以外は第1の層
と同じ条件で実施し第2の層を形成した。
Example 3 Hydrogen-added methane was introduced at a flow rate of 30 SCCM and methane at a flow rate of 100 SCCM into a reaction system on which a substrate having a surface to be formed was placed, and the pressure was maintained at 0.03 torr. 100 W of high frequency energy is added to methane,
A film was formed for 50 minutes to form a first layer. Then the first
A second layer was formed on the first layer under the same conditions as the first layer except that the flow rate of hydrogen was 50 SCCM.

【0036】そして第2の層上に、水素の流量が80SCCM
である以外は第1の層と同一条件で実施した。その結
果、2400Kg/mm2、3400Kg/mm2、4200Kg/m
m2、のビッカース硬度を有する第1の層、第2の層、第
3の層からなる炭素膜を形成させることができた。この
炭素膜は表面の硬度が4200Kg/mm2とダイヤモンド類
似の硬さを有し、耐摩耗性、高熱伝導性、高平滑性に優
れたものであった。
Then, on the second layer, the flow rate of hydrogen is 80 SCCM.
The conditions were the same as in the first layer except that As a result, 2400Kg / mm 2 , 3400Kg / mm 2 , 4200Kg / m
A carbon film comprising a first layer, a second layer, and a third layer having a Vickers hardness of m 2 was formed. This carbon film had a surface hardness of 4200 Kg / mm 2 , similar to diamond, and was excellent in wear resistance, high thermal conductivity and high smoothness.

【0037】本実施例においては水素の流量のみを増加
させることにより炭素膜の硬度を大きくしたが、メタン
の流量を減少させても同様の効果が得られる。
In this embodiment, the hardness of the carbon film is increased by increasing only the flow rate of hydrogen, but the same effect can be obtained by reducing the flow rate of methane.

【0038】また本実施例では各炭素膜の層を一つの反
応室を用いて作成したが、反応室を複数接続させること
により各層をそれぞれ異なる反応室で形成させても良
い。
In this embodiment, each carbon film layer is formed by using one reaction chamber. However, each layer may be formed in a different reaction chamber by connecting a plurality of reaction chambers.

【0039】〔実施例4〕被形成面を有する基板の置か
れた反応系に酸素を30SCCM、メタンを100 SCCMの流量で
酸素の添加されたメタンを導入し、圧力を0.03torrに保
持し、メタンに対し100 Wの高周波エネルギを加え、1
50分間膜形成を行い、第1の層を形成した。次に第1
の層の上に、酸素の流量が50SCCMである以外は第1の層
と同じ条件で実施し第2の層を形成した。そして第2の
層上に、酸素の流量が80SCCMである以外は第1の層と同
一条件で実施した。
Example 4 Oxygen-added methane was introduced at a flow rate of 30 SCCM and methane at a flow rate of 100 SCCM into a reaction system on which a substrate having a surface to be formed was placed, and the pressure was maintained at 0.03 torr. 100 W of high frequency energy is added to methane,
A film was formed for 50 minutes to form a first layer. Then the first
A second layer was formed on the first layer under the same conditions as the first layer except that the flow rate of oxygen was 50 SCCM. Then, on the second layer, the same conditions as in the first layer were used except that the flow rate of oxygen was 80 SCCM.

【0040】その結果、2200Kg/mm2、3100Kg/m
m2、4000Kg/mm2、のビッカース硬度を有する第1の
層、第2の層、第3の層からなる炭素膜を形成させるこ
とができた。この炭素膜は表面の硬度が4000Kg/mm2
とダイヤモンド類似の硬さを有し、耐摩耗性、高熱伝導
性、高平滑性に優れたものであった。
As a result, 2200 kg / mm 2 and 3100 kg / m
A carbon film comprising a first layer, a second layer and a third layer having a Vickers hardness of m 2 and 4000 kg / mm 2 was formed. This carbon film has a surface hardness of 4000 kg / mm 2.
And hardness similar to diamond and excellent in wear resistance, high thermal conductivity and high smoothness.

【0041】本実施例においては酸素の流量のみを増加
させることにより炭素膜の硬度を大きくしたが、メタン
の流量を減少させても同様の効果が得られる。
In this embodiment, the hardness of the carbon film is increased by increasing only the flow rate of oxygen, but the same effect can be obtained by decreasing the flow rate of methane.

【0042】また本実施例では各炭素膜の層を一つの反
応室を用いて作成したが、反応室を複数接続させること
により各層をそれぞれ異なる反応室で形成させても良
い。
In this embodiment, each carbon film layer is formed using one reaction chamber, but each layer may be formed in a different reaction chamber by connecting a plurality of reaction chambers.

【0043】〔実施例5〕本実施例においては、被形成
面上に硬度の異なる層を積層させるのではなく、水素の
添加量を連続的に増加させることにより硬度が連続的に
変化している炭素膜を形成させた。
[Embodiment 5] In this embodiment, instead of laminating layers having different hardnesses on the surface to be formed, the hardness is continuously changed by continuously increasing the amount of added hydrogen. Carbon film was formed.

【0044】先ず、実施例1の第1の層を形成させるの
と同一の条件で膜形成を開始し、その後水素の添加量を
0.5 〜10SCCM/minの上昇率で100 SCCMになるまで増加さ
せることにより被形成面上に炭素膜を形成させた。形成
させた炭素膜は、表面において4200Kg/mm2のビッカ
ース硬度を有する、耐摩耗性、高熱伝導性、高平滑性に
優れたものであった。
First, film formation was started under the same conditions as those for forming the first layer in Example 1, and thereafter the amount of hydrogen added was changed.
A carbon film was formed on the surface to be formed by increasing the rate at a rate of 0.5 to 10 SCCM / min until it reached 100 SCCM. The formed carbon film had a Vickers hardness of 4200 kg / mm 2 on the surface and was excellent in wear resistance, high thermal conductivity and high smoothness.

【0045】本実施例では水素の流量のみを連続的に大
きくさせたが、メタンの流量のみを連続的に減少させて
も良く、また水素を酸素に変えて実施しても良い。
In this embodiment, only the flow rate of hydrogen is continuously increased. However, the flow rate of methane alone may be continuously reduced, or the present invention may be implemented by changing hydrogen to oxygen.

【0046】〔実施例6〕本実施例は、被形成面上に炭
素膜を形成する前に、紫外光により活性化された酸素原
子及び紫外光により生成したオゾンの雰囲気に被形成面
を配設することにより被形成面の有機物の汚染物または
異物を除去した後に炭素膜を形成させた。
[Embodiment 6] In this embodiment, before forming a carbon film on a formation surface, the formation surface is arranged in an atmosphere of oxygen atoms activated by ultraviolet light and ozone generated by ultraviolet light. Thus, a carbon film was formed after removing organic contaminants or foreign substances on the surface to be formed.

【0047】被形成面上の有機物の汚染物は、その上に
形成された膜との間の密着性を低下させる最大の原因で
ある。本実施例に使用した装置を図6に示す。図6は図
1に示す反応室(24)と紫外光により活性化された酸素原
子及び紫外光により生成したオゾンの雰囲気を作る予備
室(25)とを結合させたものである。反応室(24)と予備室
(25)との間にはゲート弁(23)が設けられている。予備室
には低圧水銀ランプ(185 nm,254nm)(21),シャッタ(22)
が設けられている。
The organic contaminants on the surface to be formed are the biggest cause of lowering the adhesion between the film and the film formed thereon. FIG. 6 shows the apparatus used in this example. FIG. 6 shows a combination of the reaction chamber (24) shown in FIG. 1 and a preliminary chamber (25) for creating an atmosphere of oxygen atoms activated by ultraviolet light and ozone generated by ultraviolet light. Reaction room (24) and spare room
A gate valve (23) is provided between the gate valve (23). Low-pressure mercury lamp (185 nm, 254 nm) (21), shutter (22)
Is provided.

【0048】この予備室(25)においては以下の如くの反
応により活性の酸素及びオゾンが生じ、それらが被形成
面上の有機物の汚染物の除去を行うのである。 O2+hν(185nm) → O+O O2+O →O3 O3+hν(254nm) → O *+O2 O3+CnHmOk →CO,CO2,H2O O*+CnHmOk →CO,CO2,H2O
In the preliminary chamber (25), active oxygen and ozone are generated by the following reaction, which removes organic contaminants on the surface to be formed. O 2 + hν (185 nm) → O + O O 2 + O → O 3 O 3 + hν (254 nm) → O * + O 2 O 3 + C n H m O k → CO, CO 2, H 2 OO * + C n H m O k → CO, CO 2, H 2 O

【0049】即ち紫外光エネルギーと紫外光により生成
されたオゾン及び活性化された酸素原子の複合作用によ
り被形成面上の有機物(CnHmOk) を分解除去するもので
ある。
[0049] That is to decompose and remove organic substances on the formation surface (C n H m O k) by the combined action of ultraviolet light energy and ultraviolet ozone and activated generated by external light oxygen atoms.

【0050】実施に際しては、先ず被形成面を有する基
板を予備室に設置した後、低圧水銀灯ランプを点灯し、
被形成面上の有機物の分解除去を行った。この低圧水銀
灯ランプを予め点灯しておきシャッタ(22)をひらいても
良い。その後ランプを消灯(シャッタを閉じても良い)
して予備室内を減圧にし、反応室内と同圧になったとこ
ろで反応室との間に設けてあるゲート弁(23)を開けて、
基板を反応室に移した。
In operation, first, a substrate having a surface to be formed is set in a preliminary chamber, and then a low-pressure mercury lamp is turned on.
Organic substances on the formation surface were decomposed and removed. The low-pressure mercury lamp may be turned on in advance and the shutter (22) may be opened. Then turn off the lamp (shutter may be closed)
The pressure in the preparatory chamber was reduced, and when the same pressure was reached in the reaction chamber, the gate valve (23) provided between the reaction chamber and the reaction chamber was opened.
The substrate was transferred to the reaction chamber.

【0051】このような処理をした後被形成面上に実施
例1、実施例2、実施例3、実施例4若しくは実施例5
に従って炭素膜を形成した。得られた炭素膜は被形成面
との密着性に極めて優れたものであった。
After the above processing, the embodiment 1, embodiment 2, embodiment 3, embodiment 4 or embodiment 5 is formed on the surface to be formed.
A carbon film was formed according to the following. The obtained carbon film had extremely excellent adhesion to the surface on which it was formed.

【0052】上記の方法は有機物等の汚染物を除去した
後、大気に触れることなく短時間に反応室において膜形
成を行なえる点で優れた効果を持つものである。
The above method has an excellent effect in that a film can be formed in a reaction chamber in a short time without exposure to the air after removing contaminants such as organic substances.

【0053】上記実施例は添加物を1種類に限定して示
したものだが、2種類以上を混合して添加しても本発明
の効果を得られる。
In the above embodiment, only one type of additive is shown, but the effect of the present invention can be obtained even if two or more types are mixed and added.

【0054】[0054]

【発明の効果】以上の如く本発明の方法により作製した
炭素または炭素を主成分とする被膜は、水素または酸素
の添加量を変化させて被形成面に損傷を与えない程度の
セルフバイアスで作り得る硬さの炭素または炭素を主成
分とする被膜にしておき、徐々に硬度を上げた膜を積層
させて、表面には所望の硬度を有した炭素または炭素を
主成分とする被膜を形成しているため、被形成面との密
着性に優れたダイヤモンドに類似の硬さを有するもので
あり、磁気ヘッドや磁気ディスク等一部に異種材料がそ
の表面ををこすって走行する電気用部材にきわめて有効
であった。
As described above, carbon or a film containing carbon as a main component produced by the method of the present invention is formed with a self-bias that does not damage the surface to be formed by changing the amount of added hydrogen or oxygen. A carbon or carbon-based film having the desired hardness is formed, and a film having a gradually increased hardness is laminated, and a carbon- or carbon-based film having a desired hardness is formed on the surface. Therefore, it has a hardness similar to diamond with excellent adhesion to the surface to be formed, and is used as an electrical member that travels by rubbing the surface of a dissimilar material on a part such as a magnetic head or a magnetic disk. It was very effective.

【0055】特に得られる炭素または炭素を主成分とす
る被膜は熱伝導率が2.5W/cm deg 以上、代表的には4.0
〜6.0W/cm deg とダイヤモンドの60W/cm degに近いため
摩擦によって生じる熱を全体に均一に逃すことが可能で
あり、更に耐摩耗性、高熱伝導性、炭素膜特有の高平滑
性等の特性を有するものであった。
Particularly, the obtained carbon or a coating containing carbon as a main component has a thermal conductivity of 2.5 W / cm deg or more, typically 4.0 W / cm deg.
~ 6.0W / cm deg and close to 60W / cm deg of diamond, it is possible to uniformly dissipate the heat generated by friction, and furthermore, it has abrasion resistance, high thermal conductivity, high smoothness unique to carbon film, etc. It had characteristics.

【0056】また本発明の方法は、有機樹脂、ガラス、
磁性体、金属、セラミックまたは半導体等を被形成面と
して実施することができるため、その応用は計り知れな
いものである。
Further, the method of the present invention comprises the steps of:
The application can be immeasurable because a magnetic material, a metal, a ceramic, a semiconductor, or the like can be used as a formation surface.

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

図1は本発明に使用する装置の概要を示す。図2は水
素、酸素の添加流量に対するセルフバイアスを示す図。
図3は添加流量とビッカース硬度との関係を示す図。図
4及び図5は添加流量と膜厚との関係を示す図。図6は
実施例4で用いた装置を示す図。
FIG. 1 shows the outline of the apparatus used in the present invention. FIG. 2 is a diagram showing a self-bias with respect to the flow rates of hydrogen and oxygen.
FIG. 3 is a view showing the relationship between the addition flow rate and Vickers hardness. 4 and 5 are diagrams showing the relationship between the addition flow rate and the film thickness. FIG. 6 is a diagram showing an apparatus used in Example 4.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・ドーピング系 6・・・バルブ 7・・・流量計 8・・・反応系 9・・・ノズル 10・・・マイクロ波エネルギ 11・・・第1の電極 12・・・第2の電極 13・・・高周波電源 14・・・マッチングトランス 15・・・直流バイアス電源 16・・・排気系 17・・・圧力調整バルブ 18・・・ターボ分子ポンプ 19・・・ロータリーポンプ 20・・・反応空間 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Doping system 6 ... Valve 7 ... Flow meter 8 ... Reaction system 9 ... Nozzle 10 ... Microwave energy 11 ... 1st electrode 12 ... 2nd Electrode 13 High frequency power supply 14 Matching transformer 15 DC bias power supply 16 Exhaust system 17 Pressure regulating valve 18 Turbo molecular pump 19 Rotary pump 20 Reaction space

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G11B 5/72 G11B 5/72 5/84 5/84 B ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI G11B 5/72 G11B 5/72 5/84 5/84 B

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】プラズマにより炭化水素化物気体を分解反
応させて、磁気ヘッドまたは磁気ディスクに炭素または
炭素を主成分とする被膜を形成する方法において、 前記被膜を形成する際、前記磁気ヘッドまたは磁気ディ
スクを250℃以下に保持しつつ水素または酸素を添加
し、熱伝導率が2.5W/cm deg 以上の炭素または炭素を主
成分とする被膜を形成する方法。
1. Decomposition of a hydrocarbon gas by plasma
In response, carbon or magnetic head
In the method of forming a coating containing carbon as a main component, when forming the coating, the magnetic head or the magnetic disk may be used.
Add hydrogen or oxygen while keeping the temperature below 250 ° C
And carbon or carbon with a thermal conductivity of 2.5 W / cm deg or more.
A method of forming a coating as a component.
【請求項2】プラズマにより炭化水素化物気体を分解反
応させて、磁気ヘッドまたは磁気ディスクに炭素または
炭素を主成分とする被膜を形成する方法において、 前記被膜を形成する際、水素または酸素の添加量を被形
成面側より炭素または炭素を主成分とする被膜表面に向
かって増加させることを特徴とする炭素または炭素を主
成分とする被膜を形成する方法。
2. A method for decomposing a hydrocarbon gas by plasma.
In response, carbon or magnetic head
In the method of forming a film containing carbon as a main component, when forming the film, the amount of hydrogen or oxygen to be added is determined.
From the surface to the surface of the coating containing carbon or carbon as the main component
Mainly carbon or carbon characterized by increasing
A method of forming a coating as a component.
【請求項3】請求項2において形成された炭素または炭
素を主成分とする被膜の硬度は、前記被形成面側より炭
素または炭素を主成分とする被膜表面に向かって大きく
なることを特徴とする炭素または炭素を主成分とする被
膜を形成する方法。
3. Carbon or charcoal formed according to claim 2.
The hardness of the coating mainly composed of silicon
Large toward the surface of the coating containing silicon or carbon as the main component
Carbon or a carbon-based material characterized by
A method of forming a film.
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