JP3022794B2

JP3022794B2 - ダイヤモンド様炭素薄膜堆積装置

Info

Publication number: JP3022794B2
Application number: JP9008683A
Authority: JP
Inventors: 雄一坂本
Original assignee: ニチメン電子工研株式会社
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 2000-03-21
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: JPH10204641A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、切削工具、金型、
磁気記録媒体等の被処理体の表面にダイヤモンド様炭素
薄膜を堆積させて、硬度の高い、摩擦係数の小さい、化
学的に安定な表面を形成し、被処理体の寿命を延ばし、
トライボロジー特性を改善するダイヤモンド様炭素薄膜
堆積装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記のような被処理体の表面の硬化なら
びに安定化は、従来、鋼の焼き入れ、窒化あるいはイオ
ン注入等の技術により行われていた。しかし、これら従
来の技術は、低融点材や脆弱な構造材には不向きであっ
た。このために、最近では、アモルファス炭素薄膜（ダ
イヤモンド様炭素）をプラズマを利用して被処理体の表
面に堆積する技術が多方面に使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この技術で
は、効率良く薄膜を堆積させるためには、電極間に印加
する電圧を、比較的大きくしなければならなかった。従
って、本発明の目的は、比較的大電圧を必要としない
で、効率の良い成膜が可能なダイヤモンド様炭素薄膜堆
積装置を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる請求項１
に記載のダイヤモンド様炭素薄膜堆積装置は、プラズマ
発生領域を中に規定する第１の電極を有するハウジング
と、このハウジング内に設けられ被処理体を支持し、前
記第１の電極と対向した第２の電極を有する支持手段
と、ハウジング内に炭化水素ガスを供給する手段と、第
１の電極と第２の電極との間に電圧を印加する手段と、
プラズマ発生領域にマイクロ波を供給して、ハウジング
内に供給された炭化水素のプラズマを発生させて、被処
理体上にダイヤモンド様炭素薄膜を形成するマイクロ波
供給手段とを具備し、前記第１の電極のプラズマ発生領
域を規定する内面には、これの表面積を増すように複数
の凹凸が形成されていることを特徴とする。

【０００５】また、本発明に係わる請求項３に記載のダ
イヤモンド様炭素薄膜堆積装置は、ハウジングと、この
ハウジングの内周面に沿って配置されプラズマ発生領域
を中に規定する筒形状の第１の電極と、このプラズマ発
生領域の下方に設けられ上に被処理体を支持し、前記第
１の電極と対向した第２の電極を有する支持手段と、プ
ラズマ発生領域に炭化水素ガスを供給する手段と、第１
の電極と第２の電極との間に電圧を印加する手段と、プ
ラズマ発生領域の上方に設けられマイクロ波を供給し
て、ハウジング内に供給された炭化水素のプラズマを発
生させて、被処理体上にダイヤモンド様炭素薄膜を形成
するマイクロ波供給部材とを具備し、前記第１の電極の
プラズマ発生領域を規定する内面には、これの表面積を
増すように複数の凹凸が形成されていることを特徴とす
る。

【０００６】

【作用】硬質のダイヤモンド薄膜を堆積するために、第
１の電極と第２の電極との間に高周波電圧Ｖを印加する
と」、これら電極の対向面にはシースの整流作用のため
にシースの静電圧Ｖ_S1，Ｖ_S2がかかり、電圧Ｖ_S2で加速
されたイオンの衝突効果のために硬質膜が得られる。こ
のときに、第１の電極の面積をＳ₁ 、第２の電極の面積
をＳ₂ とすると、Ｖ_S2／Ｖ_S1＝（Ｓ₁ ／Ｓ₂ ）² Ｖ_S1＋Ｖ_S2＝｜Ｖ｜の関係があるために、本発明のように、第１の電極のプ
ラズマ発生領域を規定する内面に、これの表面積を増す
ように複数の凹凸が形成されていると、Ｓ₁ の面積がＳ
₂ に比べて大きくなり、比較的低い高周波電圧で、高い
Ｖ_S2を得ることができる。例えば、Ｓ₁ ／Ｓ₂ ＝２及び
１０で、Ｖ＝３００ボルトの場合を比較すると、Ｖ
_S2は、２４０ボルト及び２９７ボルトとなり、第２の電
極に有効に静電圧をかけることができる。

【０００７】

【実施の形態】以下に、添付図面を参照して、本発明の
一実施例に係わるダイヤモンド様炭素薄膜堆積装置を説
明する。図１中、符号１は、金属で形成され、垂直に延
びた円筒もしくは矩形状のハウジグを示し、内部にプラ
ズマ発生領域を規定した第１の電極２を有する。この第
１の電極２は、ハウジングの内周面に沿って配置され、
上下方向に延びた断面矩形の筒形状をし、上端ならびに
下端が開口している。この筒形状は、断面矩形に限定さ
れることはなく、例えば、円形のようなどのような形状
でも良いが、ダイヤモンド様炭素薄膜が形成される被処
理体の形状と同じにするのが望ましい。プラズマ発生領
域の上方には、マイクロ波供給部材としての、セラミッ
ク等の誘電体で形成された矩形板３が設けられている。
この誘電体の矩形板３は、ハウジング１の上面に、ほぼ
マイクロ波発生領域全域に渡るようにして取着されてい
る。また、ハウジング１の上壁の中心部には、一端が図
示しない高周波電源に接続された導波管４の他端が取着
されている。即ち、この上壁の中心には、円形もしくは
矩形の透孔が形成され、この内周面に、導波管４の外部
導体４ａの他端の外周面が取着されている。また、前記
マイクロ波誘電体の矩形板３の中心にも、前記上壁の透
孔と同心的ではあるが、これよりも小径の透孔が形成さ
れており、この透孔には、導波管４の中心導体４ｂの他
端が貫通し、前記矩形板３の中心部に取着されている。
この結果、高周波源から発振されるマイクロ波は、導波
管４並びに矩形板３を介してハウジング１内のプラズマ
発生領域に供給される。なお、導波管４の他端部で、外
部導体４ａと内部導体４ｂとの間には、真空封止窓４ｃ
が形成されている。

【０００８】前記プラズマ発生領域の下方には、被処理
体である基板５を、これの上面がプラズマ発生領域を挟
んで前記矩形板３と対面するようにして支持する、支持
部材としての基板ホルダー６が設けられている。この基
板ホルダー６は、前記第１の電極２と対向するようにし
て、水平に延びた第２の電極６ａを有する。この電極６
ａは、基板５とほぼ同じディメンションを有することが
好ましく、また必要に応じては、この電極を所定の温度
に、例えば常温に保つ温度制御手段が設けられている。
この制御手段は、成膜中に、発生されたプラズマからの
エネルギー入射束が高くて基板５が加熱されたときに場
合に、駆動される。この好ましい例では、制御手段は、
第２の電極６ａ内に形成され、冷却水が循環される水冷
ジャケットにより構成されている。また、この電極６ａ
は、ハウジング１の外に設けられた、図示していない高
周波発信器に、整合器並びにブロッキング・コンデンサ
ーを介して電気的に接続されている。この高周波発信器
は、前記第１の電極２にも電気的に接続されているか、
第１の電極２自体が接地されている。この結果、３５０
Ｖ程度の高周波電源を使用して、第２の電極６ａには所
定の負バイアス電圧、好ましくは２５０Ｖないし３５０
Ｖの負バイアスが印加され得る。

【０００９】前記第１の電極２は、複数の電極形成部材
１０により構成されている。各電極形成部材１０は、金
属、例えば、アルミニウムで形成され、水平板部１０ａ
と垂直板部１０ｂとからなる断面逆Ｌ字形の矩形もしく
は円形の枠体で形成されている。水平板部１０ａは、垂
直筒部１０ｂの上端よりプラズマ発生領域に向かって、
即ち、ハウジング１の内方に水平に延出している。ま
た、この水平板部１０ａの長さは、垂直部１０ｂの０．
５ないし１．５倍に、この例ではほぼ同じに設定されて
いる。これは、水平板部が短すぎると、後で詳述する電
極の表面積を増す効果が少なく、また長すぎると、垂直
筒部１０ｂの電極としての機能が阻害されるためであ
る。

【００１０】前記水平板部１０ａのほぼ中心には透孔が
夫々形成されており、これら透孔には、ハウジング１の
上壁より垂直に延出されたボルト１１が貫通している。
そして、このボルト１１が貫挿するようにして、電気お
よび熱絶縁性のスペーサ１２が、隣合う電極形成部材１
０間に配置されている。これらスペーサ１２は、隣り合
う電極形成部材１０ａ相互が少し離間するように、即
ち、上の垂直筒部１０ｂと下の垂直筒部１０ｂとの間に
間隙が形成されるように、その長さが垂直筒部１０ｂよ
り少し長く設定されている。そして、最下位並びに最上
位の電極形成部材１０を夫々留めるようにしてナット１
３がボルト１１の下部と上部に夫々螺合されている。こ
のようにして構成された第１の電極２ではは、ナット１
３をボルト１１から外すことにより、電極形成部材１０
を夫々ハウジング１から取外して、交換並びに保守点検
できる。このように電極形成部材１０をハウジング１に
出し入れするために、ハウジング１は、例えば上壁が周
壁に対して、回動もしくは取り外し可能となっている。
このような構成の第１の電極２では、実質的な電極の表
面は、全ての電極形成部材１０の垂直筒部１０ｂの内面
と、水平板部１０ａの下面との総計の面積となってい
る。この結果、例えば、垂直筒部１０ｂと、水平板部１
０ａとが同じ長さに形成されている場合には、第１の電
極２の面積は、水平板部１０ａが形成されていない場合
に比較して約倍になっている。従って、第２の電極６ａ
に印加する負電圧は１／２で良い。

【００１１】前記電極形成部材１０には、夫々加熱手段
１４が設けられており、夫々独立して３００℃から５０
０℃までの所定の温度に、また同様に誘電体の矩形板も
３００℃から５００℃までの所定の温度に加熱されるよ
うになっている。即ち、図示していなが、プラズマ発生
領域の前記誘電体の矩形板の近くには複数の温度センサ
ーが設けられており、成膜中に矩形板の面方向の温度分
布を常時測定し、平均して上記所定温度に誘電体の矩形
板を維持できる。

【００１２】尚、この実施の形態では、加熱手段１４
は、電極形成部材１０の外面に夫々巻回された絶縁電熱
線により構成されているが、他の形態の加熱手段、例え
ば、電極形成部材１０の外面に金属管を巻回し、この中
を温度が制御された流体を流して、夫々の電極形成部材
の温度を制御する、いわゆる高温チラーでも、また、垂
直板１０ａの外面に赤外線を照射して、これを加熱する
赤外線ランプでも良い。また、矩形板３をヒータ等で直
接に加熱しても良い。

【００１３】前記ハウジング１内には、外部に設けられ
た炭化水素ガス源並びに水素ガス源に一端が夫々接続さ
れた導管の他端に夫々接続された環状の第１並びに第２
のガス供給管１５，１６が配置されている。上記炭化水
素源は、ダイヤモンド様炭素薄膜の原料となる炭化水素
ガス、例えば、ＣＨ₄ ガスを供給するガス源であり、水
素ガス源は、煤やポリマー膜等が装置の要部に堆積する
のを防止するための水素プラズマを発生させる水素ガス
を供給するガス源である。

【００１４】そして第１のガス供給管１５は、被処理体
５の上面近くで炭化水素ガスをプラズマ空間に供給する
ように配設されている。即ち、この供給管１５は、下方
の（この例では下から２番目の）電極形成部材１０の水
平板部１０ａの延出端の下面に同心的に取着されてお
り、矢印で示すように炭化水素ガスを噴射するようにガ
ス噴出口が被処理体５に面して設けられている。このガ
ス噴射口は、供給管１５の全周に渡って配設された多数
の噴射孔もしくは短スリットにより形成されていても、
また、１もしくは少数の細長いスリットにより形成され
ていても良い。

【００１５】前記第２のガス供給管１６は、誘電体矩形
板３の露出面、即ち、下面近くで水素ガスをプラズマ空
間に供給するように配設されている。即ち、この供給管
１６は、上方の（この例では最上位の）電極形成部材１
０の水平板部１０ａの延出端の下面に同心的に取着され
ており、矢印で示すように水素ガスを噴射するようにガ
ス噴出口が矩形板３に面して設けられている。このガス
噴射口は、供給管１６の全周に渡って配設された多数の
噴射孔もしくは短スリットにより形成されていても、ま
た、１もしくは少数の細長いスリットにより形成されて
いても良い。

【００１６】本発明においては、ガス供給管１５，１６
は、上述したような環形状に限定されるものではなく、
例えば、１もしくは複数の弓形であっても、また直線形
でも良い。

【００１７】尚、図示していないが、上記ハウジング１
には、中を気密にするための底壁や、被処理体の出し入
れのためのゲートや、ハウジング１内を減圧し、排気す
るように真空ポンプに接続される排気ポート等この分野
で良く知られている手段が設けられている。

【００１８】次に、上記構成のダイヤモンド様炭素薄膜
堆積装置の動作を説明する。まず、基板ホルダー６上
に、被処理体５をこれの被処理面が上になるように載置
させる。次に、ハウジング１内を所定圧力に、例えば、
１０ｍＴｏｒｒ以下に減圧すると共に、導波管４から誘
電体の矩形板３を介してマイクロ波をプラズマ発生領域
に供給する。そして、第１の電極２を加熱手段１４によ
り３００℃ないし５００℃の温度に保つと共に、基板ホ
ルダー６の第２の電極６ａに２５０Ｖないし３５０Ｖの
負バイアスを印加する。この時に印加する電圧は、第１
の電極２が、水平板部１０ａよりなる突出部により表面
積が、例えば、平坦のハウジング内面で第１の電極を形
成した場合に比較して非常に大きくなっているので、第
２の電極６ａには、上述したように比較的低い電圧を印
加しても第１の電極２と第２の電極６ａとの間には、プ
ラズマを発生させるのに充分な実質的に大きな電圧が印
加される。この状態で、第１のガス供給管１５により、
炭化水素ガス、例えば、ＣＨ₄ ガスを被処理体５に向か
って噴射してこの被処理体５近くに供給すると共に、第
２のガス供給管１６により、水素ガスを誘電体矩形板３
に向かって噴射してこの矩形板３近くに供給する。この
結果、被処理体５の上面近くでＣＨ₄ガスによるプラズ
マが発生される。尚、このプラズマ中には下記のような
多種の荷電粒子と中性ラジカルが発生される。

【００１９】ＣＨ₄ ＋ｅ → ｅ＋ＣＨ₃ ＋ＣＨ₃ ⁺ ＋
ＣＮ₂ ＋ＣＨ₂ ⁺ ＋ＣＨ＋ＣＨ⁺ ＋Ｃ＋Ｃ⁺ そして、このプラズマの発生に伴って、基板ホルダー６
の温度が常温より高くなるときには、冷却手段を運転し
て、基板ホルダー６をほぼ常温に維持する。

【００２０】この結果、基板ホルダー６がハウジング１
の周壁よりも温度がかなり低く維持されているので、ラ
ジカルは集中的に被処理体５の上面に吸着される。そし
て、基板ホルダー６には上記範囲の負バイアスが印加さ
れているので、イオンは被処理体の上面に発生するシー
スで加速されて前記吸着されたラジカルと衝突し、水素
原子を放出する。この結果、炭素膜が、効率良く被処理
体の上面に堆積して形成される。尚、このときの炭素原
子はπ結合とσ結合との混合した結合形態をとり、全体
としてはアモルファス構造となる。ここで、σ結合とπ
結合とは夫々ダイヤモンド結合とグラファイト結合の基
本となる結合様式である。

【００２１】この成膜中には、プラズマ発生領域の温度
分布が常時センサーにより感知され、これからの温度情
報に基づいて加熱手段１４が制御されるので、プラズマ
発生領域は所定の温度分布に維持される。

【００２２】また、このような成膜処理の間、前記誘電
体の矩形板３近くに供給された水素ガスにより、矩形版
３の露出面、即ち、下面近くには水素プラズマが発生さ
れている。この結果、この露出面に向かう煤のもととな
る炭素は、水素プラズマにより発生する水素原子と下記
のように反応して気相により運ばれて排気される。

【００２３】Ｃ＋４Ｈ →ＣＨ₄ このために、矩形板３の露出面に煤やポリマーの堆積が
生じず、常時クリーニングされる。

【００２４】上記構成の装置を使用し、マイクロ波電力
を１．５ｋＷ、印加電圧を３５０Ｖの条件で、１０時間
の連続運転により基板にダイヤモンド様炭素薄膜を形成
したところ、誘電体の矩形板３の表面の温度を３００℃
以下にすると、この表面にポリマーが堆積し、５００℃
以上にすると煤が堆積した。そして、３００℃ないし５
００℃では上記ポリマーも煤もほとんど堆積しなかっ
た。このためにマイクロ波を有効にプラズマ発生領域に
供給することができて、品質の良いダイヤモンド様炭素
薄膜を効果的に成膜することができた。

【００２５】尚、上記実施の形態においては、第１の電
極を構成する電極形成部材の表面積を大きくするための
突出部（水平板部）は、必ずしも、水平に突出させる必
要は無く、上方もしくは下方に傾斜していても良い。ま
た、電極形成部材に、さらに表面積を増すために、表面
を波型にするなどして、さらに凹凸を形成しても良い。
また、この第１の電極は、分割可能なように複数の、こ
の例では４つの電極形成部材により構成したが、一体的
に構成しても良い。また、この第１の電極は、ハウジン
グとは別に設けたが、ハウジング自体を既知のように電
極としても良い。しかし、この場合には、ハウジングの
プラズマ発生領域に面する内面に、この表面積を増す手
段、例えば、高さ方向もしくは周方向に形成された複
数、好ましくは多数のひだよりなる凹凸、を設けること
が必要である。

【００２６】

【発明の効果】請求項１並びに２に記載のダイヤモンド
様炭素薄膜堆積装置においては、第１の電極のプラズマ
発生領域を規定する内面には、これの表面積を増すよう
に複数の凹凸が形成されているので、この凹凸により増
えた表面積に比例して、第２の電極に印加する電圧を低
くすることができる。

【００２７】また、請求項３，４に記載のダイヤモンド
様炭素薄膜堆積装置においては、上記効果に加えて、マ
イクロ波供給部材の温度を３００℃ないし５００℃に維
持することができて、成膜効率を向上させることができ
る。そして、請求項３に記載のダイヤモンド様炭素薄膜
堆積装置においては、上記効果に加えて、第１の電極の
保守点検、交換が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係わるダイヤモンド様
炭素薄膜堆積装置を概略的に示す図である。

【符号の説明】

１…ハウジング、２…第１の電極、３…誘電体の矩形
板、４…導波管、５…被処理体（基板）、６…基板ホル
ダー、６ａ…第２の電極、１４…加熱手段、１５…第１
のガス供給管、１６…第２のガス供給管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 16/00 - 16/56 C23F 4/00 - 4/04 C30B 30/02 H01L 21/205 H01L 21/302 H01L 21/31

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ発生領域を中に規定する第１の
電極を有するハウジングと、このハウジング内に設けら
れ被処理体を支持し、前記第１の電極と対向した第２の
電極を有する支持手段と、ハウジング内に炭化水素ガス
を供給する手段と、第１の電極と第２の電極との間に電
圧を印加する手段と、プラズマ発生領域にマイクロ波を
供給して、ハウジング内に供給された炭化水素のプラズ
マを発生させて、被処理体上にダイヤモンド様炭素薄膜
を形成するマイクロ波供給手段とを具備し、前記第１の
電極のプラズマ発生領域を規定する内面には、これの表
面積を増すように複数の凹凸が形成されていることを特
徴とするダイヤモンド様炭素薄膜堆積装置。
【請求項２】ハウジングと、このハウジングの内周面
に沿って配置されプラズマ発生領域を中に規定する筒形
状の第１の電極と、このプラズマ発生領域の下方に設け
られ上に被処理体を支持し、前記第１の電極と対向した
第２の電極を有する支持手段と、プラズマ発生領域に炭
化水素ガスを供給する手段と、第１の電極と第２の電極
との間に電圧を印加する手段と、プラズマ発生領域の上
方に設けられマイクロ波を供給して、ハウジング内に供
給された炭化水素のプラズマを発生させて、被処理体上
にダイヤモンド様炭素薄膜を形成するマイクロ波供給部
材とを具備し、前記第１の電極のプラズマ発生領域を規
定する内面には、これの表面積を増すように複数の凹凸
が形成されていることを特徴とするダイヤモンド様炭素
薄膜堆積装置。
【請求項３】前記第１の電極は、上下方向に互いに離
間し、各々がプラズマ領域に突出した突出部を有し、ハ
ウジングに着脱可能に支持された複数の電極形成部材
と、これら電極形成部材を着脱可能に支持する支持部材
と、前記電極形成部材を夫々独立して３００℃ないし５
００℃の温度に制御する加熱手段とを有することを特徴
とする請求項２のダイヤモンド様炭素薄膜堆積装置。
【請求項４】前記マイクロ波供給部材は、プラズマ発
生領域に対面した誘電体板を有し、この誘電体板の対向
面は、成膜中は３００℃ないし５００℃の温度に保たれ
ていることを特徴とする請求項２のダイヤモンド様炭素
薄膜堆積装置。