JP4182224B2 - Method for forming hard carbon nitride film - Google Patents

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本発明は、切削工具、金型、耐摩耗部品、光ディスクや磁気ディスクのような記憶媒体の保護膜等に用いられる硬質窒化炭素膜の形成方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a hard carbon nitride film used for a cutting tool, a die, a wear-resistant component, a protective film of a storage medium such as an optical disk and a magnetic disk, and the like.

近年、β型の窒化珪素と同様な構造を持つ窒化炭素Cがダイヤモンドよりも高い硬度を持つ可能性があることが指摘され、種々の基板上に硬質窒化炭素膜を形成する技術が種々提案されている。(例えば、特許文献1〜3参照)
特開平11−350140号公報 特開2001−254172号公報 特開2002−38269号公報
In recent years, it has been pointed out that carbon nitride C 3 N 4 having a structure similar to β-type silicon nitride may have a hardness higher than that of diamond, and a technique for forming a hard carbon nitride film on various substrates has been proposed. Various proposals have been made. (For example, see Patent Documents 1 to 3)
JP 11-350140 A JP 2001-254172 A JP 2002-38269 A

特許文献1及び2に記載された技術は、真空容器内に配置された基板上に、膜の窒素源となる窒素又は窒素を含む材料ガスのプラズマと、膜の炭素源となる炭素を含む材料ガスのプラズマを供給し、基板にパルス状電圧を印加して窒化炭素膜を形成するものである。
しかしながら、これらの技術は、別々に供給された膜の窒素源と炭素源を基板上で反応させるために、膜中の窒素含有率を高くすることが困難であり(高々20%程度)、硬度が高く所望の性状を有する硬質窒化炭素膜を得ることはできなかった。また、基板に印加するパルス状電圧はkVオーダーで、パルス幅も数マイクロ秒程度の極めて短いパルスとして印加するものであり、大規模な電源装置や制御装置を必要とするものであった。
The techniques described in Patent Documents 1 and 2 are based on a substrate disposed in a vacuum vessel, and a material containing nitrogen or nitrogen-containing material gas plasma serving as a film nitrogen source and carbon serving as a film carbon source. A gas plasma is supplied and a pulse voltage is applied to the substrate to form a carbon nitride film.
However, in these techniques, since the nitrogen source and the carbon source of the film supplied separately react on the substrate, it is difficult to increase the nitrogen content in the film (about 20% at most), and the hardness Therefore, it was impossible to obtain a hard carbon nitride film having high and desired properties. Further, the pulse voltage applied to the substrate is in the order of kV and the pulse width is applied as an extremely short pulse of about several microseconds, which requires a large-scale power supply device and control device.

これに対して、特許文献3に記載された技術は本発明者等が開発したもので、シアン化合物を含む原料ガスをプラズマ化し基板上に窒化炭素膜を合成する際に、成膜初期に基板を0〜−60Vの負電圧にバイアスすることを特徴とするものである。この技術によれば、上記特許文献1,2に記載の技術に比較して、窒化炭素膜中の窒素含有率を大幅に高くすることが可能となるが、基板にバイアスする負電圧が−60Vより大きくなると、スパッタリングにより膜が生成しなくなることがあり、効率良く均質な硬質窒化炭素膜を形成することができなくなるという問題点があった。   On the other hand, the technique described in Patent Document 3 was developed by the present inventors and the like, and when a raw material gas containing a cyanide compound is converted into plasma and a carbon nitride film is synthesized on the substrate, the substrate is formed at the initial stage of film formation. Is biased to a negative voltage of 0 to -60V. According to this technique, the nitrogen content in the carbon nitride film can be significantly increased as compared with the techniques described in Patent Documents 1 and 2, but the negative voltage biased to the substrate is −60V. If it is larger, a film may not be formed by sputtering, and there is a problem that a homogeneous hard carbon nitride film cannot be formed efficiently.

したがって、本発明はこれら従来技術の問題を解消して、大規模で高価な設備を必要とせずに、基板上に硬度が高く表面が平滑で均質な硬質窒化炭素膜を効率良く形成する方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention eliminates these problems of the prior art and provides a method for efficiently forming a hard carbon nitride film having a high hardness, a smooth surface and a uniform surface on a substrate without requiring large-scale and expensive equipment. The purpose is to provide.

本発明者等は鋭意検討した結果、シアン化合物を含む原料ガスをプラズマ化して基板上に窒化炭素膜を形成する際に、基板にきわめてゆっくりとしたパルス電圧を印加することによって、上記課題が解決されることを発見し、本発明を完成させたものである。   As a result of intensive studies, the present inventors have solved the above problem by applying a very slow pulse voltage to the substrate when forming a carbon nitride film on the substrate by converting the source gas containing cyanide into plasma. And the present invention has been completed.

すなわち、本発明は次の1〜の構成を採用するものである。
1.シアン化合物を含む原料ガスをプラズマ化することにより活性化し基板上に窒化炭素膜を形成する際に、基板にパルス周期が10〜10000秒の高周波パルスをon/off比50/50〜80/20で印加することを特徴とする硬質窒化炭素膜の形成方法。
2.基板の温度を0〜100℃に維持することを特徴とする1に記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。
3.高周波パルスバイアス電圧が−50〜−200Vであることを特徴とする1又は2に記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。
4.原料ガスがシアン化合物と不活性ガスとの混合ガスであることを特徴とする1〜3のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。
5.基板がシリコン、炭化ケイ素、窒化ケイ素から選択された表面を有するものであることを特徴とする1〜4のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。
6.硬質窒化炭素膜の硬度が20〜60GPaであることを特徴とする1〜5のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。
7.硬質窒化炭素膜の窒素含有率が、原子数比で20〜50%であることを特徴とする1〜6のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。
8.プラズマ発生手段として直流、交流、高周波、マイクロ波、ECRのいずれかを使用し、圧力10−4〜1Torrでプラズマを発生させることを特徴とする1〜7のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。
That is, the present invention employs the following configurations 1 to 8 .
1. When a carbon nitride film is formed on a substrate by activating the source gas containing a cyanide compound into a plasma, a high frequency pulse with a pulse period of 10 to 10000 seconds is applied to the substrate with an on / off ratio of 50/50 to 80/20. A method for forming a hard carbon nitride film, wherein
2. 2. The method for forming a hard carbon nitride film according to 1, wherein the temperature of the substrate is maintained at 0 to 100 ° C.
3. 3. The method for forming a hard carbon nitride film according to 1 or 2, wherein the high-frequency pulse bias voltage is −50 to −200V.
4). 4. The method for forming a hard carbon nitride film according to any one of 1 to 3, wherein the source gas is a mixed gas of a cyanide compound and an inert gas.
5. 5. The method for forming a hard carbon nitride film according to any one of 1 to 4, wherein the substrate has a surface selected from silicon, silicon carbide, and silicon nitride.
6). The method for forming a hard carbon nitride film according to any one of 1 to 5, wherein the hardness of the hard carbon nitride film is 20 to 60 GPa.
7). 7. The method for forming a hard carbon nitride film according to any one of 1 to 6, wherein the nitrogen content of the hard carbon nitride film is 20 to 50% in atomic ratio.
8). The hard carbon nitride film according to any one of 1 to 7, wherein any one of direct current, alternating current, high frequency, microwave, and ECR is used as plasma generating means, and plasma is generated at a pressure of 10 −4 to 1 Torr. Forming method.

本発明によれば、従来技術では生成させることがきわめて困難であった、硬度が20〜60GPa程度、特に45〜60GPa程度で、窒素含有率が原子数比で20〜50%程度の硬質窒化炭素膜を基板の表面に効率良く、低コストで生成させることが可能となった。本発明は、大規模で高価な設備を必要とせずに、基板上に硬度が高く表面が平滑で均質な硬質窒化炭素膜を効率良く形成することを可能とするものであり、実用的価値が極めて高いものである。   According to the present invention, hard carbon nitride having a hardness of about 20 to 60 GPa, particularly about 45 to 60 GPa, and a nitrogen content of about 20 to 50% in terms of atomic ratio, which has been extremely difficult to generate by the prior art. The film can be formed efficiently on the surface of the substrate at a low cost. The present invention makes it possible to efficiently form a hard carbon nitride film having a high hardness, a smooth surface and a uniform surface on a substrate without requiring large-scale and expensive equipment, and has practical value. It is extremely expensive.

本発明では、シアン化合物を含む原料ガスをプラズマ化することにより活性化し基板上に窒化炭素膜を形成する際に、基板にパルス周期が0.1〜100000秒、好ましくは10〜10000秒、さらに好ましくは100〜1000秒の高周波パルスをon/off比50/50〜80/20で印加することを特徴とする。
原料ガスとなるシアン化合物としては、シアンのハロゲン化物や各種の有機化合物が使用可能であるが、実用的にはシアン化臭素、シアン化ヨウ素、シアン化塩素、シアン化水素、アセトニトリル、ジシアン等を使用することが好ましい。これらのシアン化合物は、単独で、又は2種類以上を混合して使用することができる。
これらのシアン化合物は、通常は、アルゴン、ヘリウム、或いは窒素等の不活性ガスと混合して用いられる。シアン化合物と不活性ガスの混合割合は、シアン化合物の分圧を0.0001〜100%、特に0.001〜40%とすることが好ましい。
In the present invention, when forming a carbon nitride film on the substrate by activating the source gas containing a cyanide compound into a plasma, the substrate has a pulse period of 0.1 to 100,000 seconds, preferably 10 to 10,000 seconds, Preferably, a high-frequency pulse of 100 to 1000 seconds is applied at an on / off ratio of 50/50 to 80/20.
Although cyanide halides and various organic compounds can be used as the source gas, cyanogen bromide, iodine cyanide, chlorine cyanide, hydrogen cyanide, acetonitrile, dicyan and the like are practically used. It is preferable. These cyan compounds can be used alone or in admixture of two or more.
These cyan compounds are usually used by mixing with an inert gas such as argon, helium or nitrogen. The mixing ratio of the cyanide compound and the inert gas is preferably such that the partial pressure of the cyanide compound is 0.0001 to 100%, particularly 0.001 to 40%.

硬質窒化炭素膜を形成する基板としては特に制限はないが、シリコン、炭化ケイ素、窒化ケイ素等から選択された表面を有する基板を使用することが好ましい。このような基板としては、これらの材料自体により構成された基板、或いは他の材料からなる基板上にこれらの材料からなる被膜を形成した基板等が挙げられる。
基板の温度は、基板ステージを水等で冷却することによって、0〜100℃程度に維持した場合には、得られる窒化炭素膜の硬度が上がるので好ましい。
Although there is no restriction | limiting in particular as a board | substrate which forms a hard carbon nitride film, It is preferable to use the board | substrate which has the surface selected from silicon | silicone, silicon carbide, silicon nitride, etc. Examples of such a substrate include a substrate made of these materials themselves, or a substrate in which a film made of these materials is formed on a substrate made of other materials.
When the substrate temperature is maintained at about 0 to 100 ° C. by cooling the substrate stage with water or the like, the hardness of the obtained carbon nitride film is preferable.

本発明では、上記のシアン化合物を含む原料ガスをプラズマ化させて活性化し基板上に窒化炭素膜を形成するが、プラズマ発生手段としては特に制限はないが、通常は直流、交流、高周波、マイクロ波、ECR等が使用される。また、圧力は10−4〜1Torr程度とすることが好ましい。 In the present invention, the raw material gas containing the above cyanide compound is activated by plasma, and a carbon nitride film is formed on the substrate. However, the plasma generation means is not particularly limited, but is usually direct current, alternating current, high frequency, microscopic Waves, ECR, etc. are used. The pressure is preferably about 10 −4 to 1 Torr.

本発明において、基板に窒化炭素膜を形成する際には、基板にパルス周期が0.1〜100000秒、好ましくは10〜10000秒、さらに好ましくは100〜1000秒の高周波パルスをon/off比50/50〜80/20で印加する。高周波パルスの電圧は、0〜−200V、特に−50〜−200Vとすることが好ましい。
特許文献3に記載された本発明者等が提案した従来技術では、負の高周波バイアス電圧を基板に連続的に印加することによって、緻密で硬質な窒化炭素膜を生成させるものであるが、基板にバイアスする負電圧が−40V、特に−60Vより大きくなると、スパッタリングにより膜が生成しなくなることがあり、効率良く均質な硬質窒化炭素膜を形成することができなくなるという問題点があった。本発明では、上記の極めてゆっくりとしたパルス電圧を基板に印加することによって、負電圧を大きくした際にスパッタリングにより膜の生成が阻害されることを防止し、効率良く均質な硬質窒化炭素膜を形成することに成効したものである。
In the present invention, when a carbon nitride film is formed on a substrate, a high frequency pulse having a pulse period of 0.1 to 100,000 seconds, preferably 10 to 10,000 seconds, more preferably 100 to 1000 seconds is applied to the substrate. Apply at 50 / 50-80 / 20. The voltage of the high frequency pulse is preferably 0 to −200V, particularly −50 to −200V.
In the prior art proposed by the present inventors described in Patent Document 3, a dense and hard carbon nitride film is generated by continuously applying a negative high-frequency bias voltage to the substrate. When the negative voltage to be biased is -40V, particularly larger than -60V, a film may not be formed by sputtering, and there is a problem that a homogeneous hard carbon nitride film cannot be formed efficiently. In the present invention, by applying the above extremely slow pulse voltage to the substrate, it is possible to prevent the formation of the film from being hindered by sputtering when the negative voltage is increased, and an efficient and uniform hard carbon nitride film is formed. It was effective in forming.

本発明によれば、従来技術では生成させることがきわめて困難であった、硬度が20〜60GPa程度、特に45〜60GPa程度で、窒素含有率が原子数比で20〜50%程度の硬質窒化炭素膜を基板の表面に効率良く、低コストで生成させることが可能となった。   According to the present invention, hard carbon nitride having a hardness of about 20 to 60 GPa, particularly about 45 to 60 GPa, and a nitrogen content of about 20 to 50% in terms of atomic ratio, which has been extremely difficult to generate by the prior art. The film can be formed efficiently on the surface of the substrate at a low cost.

次に、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明するが、以下の具体例は本発明を限定するものではない。
(実施例1)
図1は、本発明の硬質窒化炭素膜の形成方法に使用される装置の1例を示す模式図である。この装置では、減圧にされた反応室8内の基板ステージ12上に載置された基板11上で、シアン化合物を含む原料ガスをプラズマ化することにより活性化し、基板11上に硬質窒化炭素膜を形成するものである。
Next, examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the following specific examples do not limit the present invention.
(Example 1)
FIG. 1 is a schematic view showing an example of an apparatus used in the method for forming a hard carbon nitride film of the present invention. In this apparatus, on the substrate 11 placed on the substrate stage 12 in the reduced-pressure reaction chamber 8, the raw material gas containing a cyanide compound is activated by converting it into plasma, and a hard carbon nitride film is formed on the substrate 11. Is formed.

以下、この装置を使用して、基板11上に硬質窒化炭素膜を形成する手順について説明する。
はじめに、メカニカルブースターポンプ1とロータリーポンプ2を用いて、反応室8内を10−3Torr程度まで真空排気する。その後、バルブ3を解放し、アルゴンを五酸化リンが充填された乾燥室4を通して、石英などのガラス管を用いたプラズマ生成室5へ導入する。次に、マイクロ波発振器6から2.45GHz、100Wのマイクロ波を導波管7に投入し、アルゴンガスのプラズマを発生させる。生成したプラズマを、プラズマ生成室5から引き出して反応室8へ導き、反応室8内で五酸化リンが充填された乾燥室9およびノズル10を通して導入したシアン化合物蒸気と、反応・分解を行ない、シアン化合物の分解生成物を基板11上に堆積して、窒化炭素膜を形成する。
その際、基板ステージ12には、外部より冷却水を水路13内に導入し循環させる。さらに、外部より高周波電源14およびマッチングボックス15を用いて、13.56MHzの高周波を基板ステージ12に印加し、基板ステージ12に発生した負の直流バイアス電圧の値を、フィルター回路16を通した電圧計17で読み取る。
The procedure for forming a hard carbon nitride film on the substrate 11 using this apparatus will be described below.
First, the reaction chamber 8 is evacuated to about 10 −3 Torr using the mechanical booster pump 1 and the rotary pump 2. Thereafter, the valve 3 is released, and argon is introduced into the plasma generation chamber 5 using a glass tube such as quartz through the drying chamber 4 filled with phosphorus pentoxide. Next, a microwave of 2.45 GHz and 100 W is input to the waveguide 7 from the microwave oscillator 6 to generate argon gas plasma. The generated plasma is drawn out from the plasma generation chamber 5 and guided to the reaction chamber 8, and the reaction and decomposition are performed with the cyanide vapor introduced through the drying chamber 9 and the nozzle 10 filled with phosphorus pentoxide in the reaction chamber 8, Cyanide decomposition products are deposited on the substrate 11 to form a carbon nitride film.
At that time, cooling water is introduced into the water channel 13 from the outside and circulated through the substrate stage 12. Further, a high frequency of 13.56 MHz is applied from the outside to the substrate stage 12 using the high frequency power supply 14 and the matching box 15, and the negative DC bias voltage value generated on the substrate stage 12 is converted into a voltage passed through the filter circuit 16. Read with 17 in total.

本実施例では、縦1cm、横1cm、厚さ0.2mmのシリコン基板を使用し、基板温度は30℃とした。また、アルゴンの流量は3000Torr・l・s−1、シアン化合物としてシアン化臭素を使用し、その流量は0.03Torr・l・s−1とした。
そして、基板に印加する負のバイアス電圧を、−40Vおよび−100Vに設定した。さらに、高周波電源14には、デジタル遅延パルスジェネレーター18を接続し、周期100および1000秒、on/off時間比50/50、60/40、70/30、80/20、90/10のそれぞれの条件下で高周波電源をパルス動作させた。
In this example, a silicon substrate having a length of 1 cm, a width of 1 cm, and a thickness of 0.2 mm was used, and the substrate temperature was 30 ° C. Further, the flow rate of argon was 3000 Torr · l · s −1 , bromine cyanide was used as the cyanide compound, and the flow rate was 0.03 Torr · l · s −1 .
And the negative bias voltage applied to a board | substrate was set to -40V and -100V. Further, a digital delay pulse generator 18 is connected to the high-frequency power source 14, and the period is 100 and 1000 seconds, and the on / off time ratios are 50/50, 60/40, 70/30, 80/20, and 90/10, respectively. The high frequency power supply was pulsed under the conditions.

窒化炭素膜は、on/off時間比50/50、60/40、70/30、80/20の条件下で生成し、膜厚は0.5〜1μm、窒素含有率は原子数比で30−50%であった。微小押し込み硬さ試験器で膜硬度を測定した結果を、図2に示す。膜の硬度値は15〜50GPaで、負のバイアス電圧が大きいほど、またon/off時間比が大きいほど硬度値が高くなる結果が得られた。また、on/off比80/20の条件で作製した窒化炭素膜のラマン分光分析を行なった結果を図3に示す。図3には、二次元的な構造に由来するGバンドと、粒界または三次元的な構造に由来するDバンドが観測され、解析の結果、硬度値が高くなるほどDバンドの強度が大きくなる傾向が見られた。このことから、本実施例で作製された膜のDバンドは、主に三次元的なネットワーク構造に起因することが判明した。以上のように、基板バイアス電圧とon/off時間比を変化させることにより、幅広い範囲の硬質窒化炭素膜を合成させることが可能である。   The carbon nitride film is formed under the conditions of on / off time ratios of 50/50, 60/40, 70/30, and 80/20, the film thickness is 0.5 to 1 μm, and the nitrogen content is 30 in terms of atomic ratio. -50%. The result of measuring the film hardness with a micro indentation hardness tester is shown in FIG. The hardness value of the film was 15 to 50 GPa, and the larger the negative bias voltage and the larger the on / off time ratio, the higher the hardness value was. Further, FIG. 3 shows the result of Raman spectroscopic analysis of the carbon nitride film manufactured under the condition of an on / off ratio of 80/20. In FIG. 3, a G band derived from a two-dimensional structure and a D band derived from a grain boundary or a three-dimensional structure are observed. As a result of analysis, the strength of the D band increases as the hardness value increases. There was a trend. From this, it was found that the D band of the film produced in this example was mainly caused by a three-dimensional network structure. As described above, a wide range of hard carbon nitride films can be synthesized by changing the substrate bias voltage and the on / off time ratio.

(実施例2)
図4は、本発明の硬質窒化炭素膜の形成方法に使用される装置の他の例を示す模式図である。この装置では、図1の装置と同じ箇所には、同じ符号を付与している。以下、この装置を使用して、基板11上に硬質窒化炭素膜を形成する手順について説明する。
はじめに、ターボ分子ポンプ19とロータリーポンプ2を用いて、反応室8内を10−6Torr程度まで真空排気する。その後、バルブ3を解放し、アルゴンを五酸化リンが充填された乾燥室4を通してステンレス製のプラズマ製のプラズマ生成室5へ導入する。次に、マイクロ波発振器6から2.45GHz、70Wのマイクロ波を同軸ケーブル20を経てアンテナ21に投入し、アルゴンガスのプラズマを発生させる。その際に、永久磁石22を用いて875Gの磁場を発生させ、電子を共鳴加速させることにより、10−3Torr程度の低圧で安定したプラズマを生成させる。生成したプラズマをプラズマ生成室から引き出して反応室8へ導き、五酸化リンが充填された乾燥室9およびノズル10を通して導入したシアン化合物蒸気と反応・分解を行ない、シアン化合物の分解生成物を炭化ケイ素基板11上に堆積して、窒化炭素膜を形成する。その際、基板ステージ12には、外部より冷却水を水路13内に導入し、循環させる。さらに、外部より高周波電源14およびマッチングボックス15を用いて、13.56MHzの高周波を基板ステージ12に印加し、基板ステージ12に発生した負の直流バイアス電圧の値をフィルター回路16を通した電圧計17で読み取る。
(Example 2)
FIG. 4 is a schematic view showing another example of an apparatus used in the method for forming a hard carbon nitride film of the present invention. In this apparatus, the same parts as those in the apparatus of FIG. The procedure for forming a hard carbon nitride film on the substrate 11 using this apparatus will be described below.
First, the inside of the reaction chamber 8 is evacuated to about 10 −6 Torr using the turbo molecular pump 19 and the rotary pump 2. Thereafter, the valve 3 is opened, and argon is introduced into the plasma production chamber 5 made of stainless steel through the drying chamber 4 filled with phosphorus pentoxide. Next, a microwave of 2.45 GHz and 70 W is input from the microwave oscillator 6 to the antenna 21 through the coaxial cable 20 to generate argon gas plasma. At that time, a magnetic field of 875 G is generated using the permanent magnet 22 and the electrons are resonantly accelerated to generate a stable plasma at a low pressure of about 10 −3 Torr. The generated plasma is drawn out from the plasma generation chamber and guided to the reaction chamber 8, where it reacts and decomposes with the cyanide vapor introduced through the drying chamber 9 and the nozzle 10 filled with phosphorus pentoxide, and carbonizes the decomposition product of the cyanide compound. A carbon nitride film is formed by depositing on the silicon substrate 11. At that time, cooling water is introduced into the water channel 13 from the outside and circulated through the substrate stage 12. Further, a high voltage of 13.56 MHz is applied from the outside to the substrate stage 12 using the high frequency power supply 14 and the matching box 15, and a negative DC bias voltage value generated on the substrate stage 12 is passed through the filter circuit 16. Read with 17.

本実施例では、縦1.5cm、横1.5cm、厚さ0.5mmの炭化ケイ素基板を使用し、基板温度は30℃とした。また、アルゴンの流量は100Torr・l・s−1、シアン化合物としてシアン化塩素を使用し、その流量は1Torr・l・s−1とした。
そして、基板に印加する負のバイアス電圧を、−40〜−100Vの間で変化させた。さらに、高周波電源にはデジタル遅延パルスジェネレーター18を接続し、周期100および1000秒、on/off時間比50/50、60/40、70/30、80/20、90/10、のそれぞれの条件下で高周波電源をパルス動作させ、100/0(連続バイアス)の場合と比較した。本実施例では、パルスoffの場合にも−10V程度の自己バイアスが基板ステージ12に発生している。
In this example, a silicon carbide substrate having a length of 1.5 cm, a width of 1.5 cm, and a thickness of 0.5 mm was used, and the substrate temperature was 30 ° C. The flow rate of argon was 100 Torr · l · s −1 , chlorine cyanide was used as the cyanide compound, and the flow rate was 1 Torr · l · s −1 .
And the negative bias voltage applied to a board | substrate was changed between -40--100V. Furthermore, a digital delay pulse generator 18 is connected to the high-frequency power source, and the conditions of periods of 100 and 1000 seconds, on / off time ratios of 50/50, 60/40, 70/30, 80/20, and 90/10, respectively. Below, the high frequency power supply was pulsed and compared with the case of 100/0 (continuous bias). In this embodiment, a self-bias of about −10 V is generated in the substrate stage 12 even in the case of the pulse off.

連続バイアスの場合、およびon/off時間比80/20および90/10の場合には、スパッタリングの影響が高く、窒化炭素膜の生成は認められなかった。窒化炭素膜はon/off時間比50/50、60/40、70/30の条件下で生成し、膜厚0.1〜0.5μmであった。臭化シアンを原料に用いた場合、窒素含有率は原子数比で20−35%で、微小押し込み硬さ試験器で膜硬度を測定した結果、外部バイアスを印加しない場合(すなわち自己バイアスのみの場合)、硬度値は10GPaであった。外部よりパルスバイアスを印加した場合の硬度値は、40〜60GPaであった。実験の結果、on/off時間比が大きいほど膜厚は低く、硬度値は高くなる結果が得られた。アセトニトリルを原料に用いた場合、窒素含有率は原子数比で5−25%で、微小押し込み硬さ試験器で膜硬度を測定した結果、外部バイアス印加の有無にかかわらず硬度値は1〜2GPaと軟質な膜が得られた。また、生成した窒化炭素膜の赤外およびラマン分光分析を行なった。臭化シアンを原料に用いon/off比70/30で作製した窒化炭素膜の赤外スペクトル(図5参照)では、1200−1500cm−1にGバンド、DバンドおよびC−N単結合のバンドが観測され、3200−3500cm−1にN−Hなどの水素終端構造の振動は全く観測されなかった。さらに、ラマンスペクトルではGバンドおよびDバンドの両方が観測された。一方、アセトニトリルを原料に用いた窒化炭素膜の赤外スペクトルでは、C−N単結合のバンドは観測されず、水素終端構造のバンドが強く観測された。さらにラマンスペクトルにはピークが全く観測されなかった。 In the case of continuous bias, and in the case of on / off time ratios of 80/20 and 90/10, the influence of sputtering was high, and formation of a carbon nitride film was not recognized. The carbon nitride film was formed under the conditions of on / off time ratios of 50/50, 60/40, and 70/30, and the film thickness was 0.1 to 0.5 μm. When cyanogen bromide was used as a raw material, the nitrogen content was 20-35% in terms of atomic ratio, and the film hardness was measured with a microindentation hardness tester. The hardness value was 10 GPa. The hardness value when a pulse bias was applied from the outside was 40 to 60 GPa. As a result of the experiment, the larger the on / off time ratio, the lower the film thickness and the higher the hardness value. When acetonitrile was used as a raw material, the nitrogen content was 5-25% in atomic ratio, and the film hardness was measured with a microindentation hardness tester. As a result, the hardness value was 1 to 2 GPa regardless of whether or not an external bias was applied. A soft film was obtained. In addition, infrared and Raman spectroscopic analyzes were performed on the produced carbon nitride film. In the infrared spectrum (see FIG. 5) of the carbon nitride film prepared using cyanogen bromide as a raw material at an on / off ratio of 70/30, the band of G band, D band, and CN single bond at 1200-1500 cm −1. Was observed, and no vibration of a hydrogen-terminated structure such as NH was observed at 3200-3500 cm −1 . Furthermore, both G band and D band were observed in the Raman spectrum. On the other hand, in the infrared spectrum of the carbon nitride film using acetonitrile as a raw material, the band of the CN single bond was not observed, and the band of the hydrogen termination structure was strongly observed. Furthermore, no peak was observed in the Raman spectrum.

(実施例3)
図6は、本発明の硬質窒化炭素膜の形成方法に使用される装置の他の例を示す模式図である。この装置では、図1の装置と同じ箇所には、同じ符号を付与している。以下、この装置を使用して、基板11上に硬質窒化炭素膜を形成する手順について説明する。
はじめに、ターボ分子ポンプ19とロータリーポンプ2を用いて、装置内を10−6Torr程度まで真空排気する。その後、バルブ3を解放し、アルゴン、窒素及びシアン化合物の混合気体を、五酸化リンが充填された乾燥室4を通して石英ガラス製のプラズマ生成室5へ導入する。次に、マイクロ波発振器6から2.45GHz、100Wのマイクロ波を導波管7に投入し、プラズマを発生させる。シアン化合物の分解生成物を炭化ケイ素基板11上に堆積して、窒化炭素膜を形成する。その際、基板ステージ12には、外部より冷却水を水路13内に導入し、循環させる。さらに、外部より高周波電源14およびマッチングボックス15を用いて、13.56MHzの高周波を基板ステージ12に印加し、基板ステージ12に発生した負の直流バイアス電圧の値をフィルター回路16を通した電圧計17で読み取る。
(Example 3)
FIG. 6 is a schematic view showing another example of an apparatus used in the method for forming a hard carbon nitride film of the present invention. In this apparatus, the same parts as those in the apparatus of FIG. The procedure for forming a hard carbon nitride film on the substrate 11 using this apparatus will be described below.
First, the inside of the apparatus is evacuated to about 10 −6 Torr using the turbo molecular pump 19 and the rotary pump 2. Thereafter, the valve 3 is released, and a mixed gas of argon, nitrogen and cyanide is introduced into the quartz glass plasma generation chamber 5 through the drying chamber 4 filled with phosphorus pentoxide. Next, a microwave of 2.45 GHz and 100 W is input from the microwave oscillator 6 to the waveguide 7 to generate plasma. Cyanide decomposition products are deposited on the silicon carbide substrate 11 to form a carbon nitride film. At that time, cooling water is introduced into the water channel 13 from the outside and circulated through the substrate stage 12. Further, a high voltage of 13.56 MHz is applied from the outside to the substrate stage 12 using the high frequency power supply 14 and the matching box 15, and a negative DC bias voltage value generated on the substrate stage 12 is passed through the filter circuit 16. Read with 17.

本実施例では、縦1.5cm、横1.5cm、厚さ0.5mmの炭化ケイ素基板を使用し、基板温度は30℃とした。また、アルゴンの流量は1000Torr・l・s−1、窒素の流量は200Torr・l・s−1、そしてシアン化合物としてシアン化ヨウ素を使用し、その流量は0.01Torr・l・s−1とした。
そして、基板に印加する負のバイアス電圧を、−40〜−100Vの間で変化させた。さらに、高周波電源にはデジタル遅延パルスジェネレーター18を接続し、周期100および1000秒、on/off時間比50/50、60/40、70/30、80/20、90/10、のそれぞれの条件下で高周波電源をパルス動作させた。
In this example, a silicon carbide substrate having a length of 1.5 cm, a width of 1.5 cm, and a thickness of 0.5 mm was used, and the substrate temperature was 30 ° C. Further, the flow rate of argon 1000Torr · l · s -1, the nitrogen flow rate using cyanide iodine as 200Torr · l · s -1, and cyanide, the flow rate thereof and 0.01Torr · l · s -1 did.
And the negative bias voltage applied to a board | substrate was changed between -40--100V. Furthermore, a digital delay pulse generator 18 is connected to the high-frequency power source, and the conditions of periods of 100 and 1000 seconds, on / off time ratios of 50/50, 60/40, 70/30, 80/20, and 90/10, respectively. The high frequency power supply was pulsed below.

窒化炭素膜はon/off時間比50/50、60/40、70/30及び80/20の条件下で生成し、膜厚0.1〜0.5μmであった。窒素含有率は原子数比で25−45%で、微小押し込み硬さ試験器で膜硬度を測定した結果、40〜60GPaであった。また、生成した窒化炭素膜の赤外およびラマン分光分析を行なった結果、1200−1500cm−1にGバンド、DバンドおよびC−N単結合のバンドが観測され、3200−3500cm−1にN−Hなどの水素終端構造の振動は全く観測されなかった。さらに、ラマンスペクトルではGバンドおよびDバンドの両方が観測された。 The carbon nitride film was formed under the conditions of on / off time ratios of 50/50, 60/40, 70/30, and 80/20, and the film thickness was 0.1 to 0.5 μm. The nitrogen content was 25-45% by atomic ratio, and the film hardness was 40-60 GPa as a result of measuring the film hardness with a microindentation hardness tester. Further, the generated result of performing infrared and Raman spectroscopic analysis of carbon nitride film, G band 1200-1500cm -1, D band and C-N single bond bands were observed, the 3200-3500cm -1 N- No vibrations of hydrogen-terminated structures such as H were observed. Furthermore, both G band and D band were observed in the Raman spectrum.

本発明の硬質窒化炭素膜の形成方法に使用される装置の1例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the apparatus used for the formation method of the hard carbon nitride film of this invention. 実施例1で得られた窒化炭素膜の膜硬度を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured the film | membrane hardness of the carbon nitride film obtained in Example 1. FIG. 実施例1で得られた窒化炭素膜のラマン分光分析を行なった結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the Raman spectroscopic analysis of the carbon nitride film obtained in Example 1. FIG. 本発明の硬質窒化炭素膜の形成方法に使用される装置の他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the apparatus used for the formation method of the hard carbon nitride film of this invention. 臭化シアンを原料として作製した窒化炭素膜の赤外スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the infrared spectrum of the carbon nitride film produced using cyanogen bromide as a raw material. 本発明の硬質窒化炭素膜の形成方法に使用される装置の他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the apparatus used for the formation method of the hard carbon nitride film of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 メカニカルブースターポンプ
2 ロータリーポンプ
3 バルブ
4、9 乾燥室
5 プラズマ生成室
6 マイクロ波発振器
7 導波管
8 反応室
10 ノズル
11 基板
12 基板ステージ
13 水路
14 高周波電源
15 マッチングボックス
16 フィルター回路
17 電圧計
18 デジタル遅延パルスジェネレーター
19 ターボ分子ポンプ
20 同軸ケーブル
21 アンテナ
22 永久磁石
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mechanical booster pump 2 Rotary pump 3 Valves 4 and 9 Drying chamber 5 Plasma generation chamber 6 Microwave oscillator 7 Waveguide 8 Reaction chamber 10 Nozzle 11 Substrate 12 Substrate stage 13 Water channel 14 High frequency power supply 15 Matching box 16 Filter circuit 17 Voltmeter 18 Digital Delay Pulse Generator 19 Turbo Molecular Pump 20 Coaxial Cable 21 Antenna 22 Permanent Magnet

Claims (8)

シアン化合物を含む原料ガスをプラズマ化することにより活性化し基板上に窒化炭素膜を形成する際に、基板にパルス周期が10〜10000秒の高周波パルスをon/off比50/50〜80/20で印加することを特徴とする硬質窒化炭素膜の形成方法。 When a carbon nitride film is formed on a substrate by activating the source gas containing a cyanide compound into a plasma, a high frequency pulse with a pulse period of 10 to 10000 seconds is applied to the substrate with an on / off ratio of 50/50 to 80/20. A method for forming a hard carbon nitride film, wherein 基板の温度を0〜100℃に維持することを特徴とする請求項1に記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。   The method of forming a hard carbon nitride film according to claim 1, wherein the temperature of the substrate is maintained at 0 to 100 ° C. 高周波パルスバイアス電圧が−50〜−200Vであることを特徴とする請求項1又は2に記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。   3. The method of forming a hard carbon nitride film according to claim 1, wherein the high-frequency pulse bias voltage is -50 to -200V. 原料ガスがシアン化合物と不活性ガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。   4. The method for forming a hard carbon nitride film according to claim 1, wherein the source gas is a mixed gas of a cyanide compound and an inert gas. 基板がシリコン、炭化ケイ素、窒化ケイ素から選択された表面を有するものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。   5. The method for forming a hard carbon nitride film according to claim 1, wherein the substrate has a surface selected from silicon, silicon carbide, and silicon nitride. 硬質窒化炭素膜の硬度が20〜60GPaであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。   The method for forming a hard carbon nitride film according to claim 1, wherein the hardness of the hard carbon nitride film is 20 to 60 GPa. 硬質窒化炭素膜の窒素含有率が、原子数比で20〜50%であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。   The method for forming a hard carbon nitride film according to claim 1, wherein the nitrogen content of the hard carbon nitride film is 20 to 50% in atomic ratio. プラズマ発生手段として直流、交流、高周波、マイクロ波、ECRのいずれかを使用し、圧力10−4〜1Torrでプラズマを発生させることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の形成方法。






















Hard nitriding according to any one of claims 1 to 7, wherein any one of direct current, alternating current, high frequency, microwave, and ECR is used as the plasma generating means, and plasma is generated at a pressure of 10 -4 to 1 Torr. A method for forming a carbon film.






















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