JP4408505B2 - ダイヤモンドライクカーボン膜の形成方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ディスクやＨＤＤの保護膜など素材表面に硬いダイヤモンドライクカーボン膜を形成する方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カーボン薄膜を素材の表面に保護膜として形成する方法として、例えば図１に示すような、成膜室ａ内にガス源ｂから導入したＣＨ₄ガス等のカーボン系のガスをマイクロ波放電により電離して試料ホルダーｄ上に薄膜状に堆積させ、この薄膜を試料ホルダーｄの背後の加熱ヒーターｃで加熱してダイヤモンドライクカーボン膜とする方法が知られている。
【０００３】
これを更に説明すると、該成膜室ａには、仕切バルブｅ、高真空ポンプｆ、仕切バルブｇ及び低真空ポンプｈを順次に設けた真空排気系と、セラミックウインドウｉ及び導波管ｊを介して設けたマイクロ波発振器ｋとが接続される。該セラミックウインドウｉは、該成膜室ａの側方のくびれた部分の奥部に設けられて成膜室ａの真空圧と導波管ｊの大気圧とを仕切り、該くびれた部分の外周にソレノイドコイルｐが設けられる。また、該くびれた部分には、仕切バルブｌ、ガス流量調整器ｍ、仕切バルブｎ及び圧力調整器ｏを介して該ガス源ｂが接続される。該導波管ｊの側部には、マイクロ波の節腹を調整するためのチュナーｑが設けられる。ｒ及びｓは真空排気系及び成膜室の真空破壊用のベントバルブ、ｔは試料取出し窓である。
【０００４】
真空排気系の仕切バルブｅ、ｇを開き、高真空ポンプｆ及び低真空ポンプｈを作動させて成膜室ａ内を真空排気し、その室内の圧力が１３３×１０^-6Pa以下に到達した時点でマイクロ波発振器ｋからマイクロ波を出力し、セラミックウインドウｉを介して成膜室ａ内へ導入する。これと同時にガス導入系統の仕切バルブｌ、ｎを開き、ガスボンベのガス源ｂから例えばＣＨ₄ガスをガス流量調整器ｍの調整と圧力調整器ｏにより２次圧力を約１気圧に設定して成膜室ａ内へ所定量供給する。そして、ソレノイドコイルｐに通電してこれを励磁し、該成膜室ａ内に所定の磁場を発生させる。この磁場とマイクロ波発振器ｋからのマイクロ波とが結合し、該成膜室ａ内に導入されたＣＨ４ガスが電離されてメタンのプラズマが発生する。該プラズマはソレノイドコイルｐによって形成された磁場配位に沿うように進行し、試料ホルダーｄ上に電離したメタンが降り注ぎ堆積してゆき、ＣとＨとが混合した膜が形成される。適当な厚さに堆積したところで加熱ヒーターｃで試料ホルダーｄを高温に加熱すると、膜中に含有しているＨが抜けていき、純度の高いＣが残る。このあと真空中で試料ホルダーｄが室温に近い温度まで冷却されたら、仕切バルブｓを開放して成膜室ａを大気圧に戻し、試料取出し窓ｔから試料ホルダーｄを取り出す。
【０００５】
また、図２に示したように、成膜室ａ内に、グラファイトを収容した電子ビーム蒸発源ｕを設けると共に、該蒸発源ｕの上方に、遮蔽板ｖと加熱されたＭo製の反射板ｗ及びその反射方向の前方の試料ホルダーｄとを設け、ガス導入管ｘから水素ガスを導入しながら該グラファイトを蒸発させて原子レベルで蒸着を行い、ダイヤモンド膜を成長させようとする方法（Jorna of Crystal Growth 99（1990）1188−1191）も提案されている。この場合、該蒸発源ｕから蒸発するグラファイト粒子は、約１６００℃に加熱された反射板ｗで反射されて約８００℃に加熱された試料ホルダーｄ上に膜状に堆積し、その反射時に蒸気が原子レベルに分解されるために細かい粒径でＣＶＤ特有のダストやドロプレット等が少ないカーボン膜を形成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記図１のカーボン系のガスをマイクロ波プラズマで分解する方法では、ＣＨ₄等を材料として使用しているので、試料ホルダーに堆積した膜中には１つのＣが４つのＨを伴い、多量のＨが膜中に混入し、膜を加熱しても膜中のＨを全部抜き取ることが困難で、膜中に残るＨのために膜の硬さが低減されてしまう不都合があった。また、前記図２の方法でも、水素ガス雰囲気で成膜が行われるため、膜中にＨの混入が避けられず、やはり膜の硬さが低減され、ダイヤモンドに近い硬さの膜は得られない。
【０００７】
本発明は、硬いダイヤモンドライクカーボン膜を形成する方法と、その実施に適した装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、真空排気された成膜室内の蒸発源から蒸発させたグラファイト粒子を、該蒸発源の上方の加熱された耐熱金属製の反射板により反射させて加熱された試料ホルダー面上に堆積させ、その堆積中にイオンビームを該試料ホルダー面上の堆積物に照射することにより、硬いダイヤモンドライクカーボン膜を形成するようにした。該蒸発源に電子ビーム蒸発源を使用し、該イオンビームにはアルゴン、ヘリウム、ネオンなどの希ガスのイオンのイオンビームが使用される。該成膜室内には該イオンビーム生成用のガス以外を導入しないでグラファイト粒子の堆積を行う。
【０００９】
また、本発明の方法は、真空排気された成膜室内にグラファイトを収容した蒸発源を設け、該蒸発源の上方に加熱された耐熱金属製の反射板を傾斜させて設けるとともに該反射板の反射方向に加熱装置を備えた板状の試料ホルダーを設け、該試料ホルダーの板面に向けてイオンビームを照射するイオン源を設けた装置により的確に実施することができ、該試料ホルダーをその板面方向に旋回自在に設ける。該反射板は、モリブデン、タングステン、タンタル、レニウムの耐熱金属で製作される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図３に基づき本発明の実施の形態を説明すると、同図に於いて符号１は真空排気系２により真空排気された成膜室を示し、該成膜室１内の下方に、純度９９．９９のグラファイトＤがルツボに収容されて電子ビームＥにより加熱蒸発される蒸発源３を設け、該蒸発源３の上方の蒸発領域に背後の加熱ヒーター４により例えば１６００℃に加熱されるＭｏなどの高耐熱性の金属で製作した反射板５が設けられる。該反射板５は該蒸発源３の蒸発中心軸６に対して傾斜して設けられ、該反射板５の反射方向前方に成膜が施されるＳｉ板などの試料ホルダー７を設けた。該試料ホルダー７の背後には、これに形成された膜を加熱するための加熱ヒーター８を設け、該蒸発源３の上方には、これより蒸発するグラファイト粒子Ａが該試料ホルダー７に直接向かうことを防止する遮蔽板９が設けられる。
【００１１】
該真空排気系２は、仕切バルブ１０、高真空ポンプ１１、仕切バルブ１２及び低真空ポンプ１３を順次に接続して構成した。１４は真空破壊用のベントバルブ、１５は試料ホルダー７の取出し用の扉である。
【００１２】
こうした構成は図２に示した従来の装置も備えるところであり、該蒸発源３から蒸発したグラファイト粒子Ａは加熱されたＭｏの反射板５により反射され、反射粒子Ｂが試料ホルダー７にグラファイトが薄膜状に堆積物となって堆積し、該反射板５で反射される際に、粒径の大きい分子状のグラファイト粒子が原子状に分解されるので、試料ホルダー７に粒径が細かくダストやドロプレットの少ない原子状のグラファイト粒子の薄膜を形成することができるが、成膜室内が水素ガス雰囲気にあるため該薄膜中にＨ原子が混入し、該薄膜を加熱しても硬度が大きくならない欠点があり、本発明では、該成膜室１内を真空のクリーンな雰囲気にすると共にイオンビームＣを導入してこれを該試料ホルダー７に堆積しつつある膜状の堆積物に照射することで、前記欠点を解消して硬度の大きいダイヤモンドライクカーボン膜を得るようにした。
【００１３】
これを更に説明すると、該成膜室１にイオン源１６を設けるとともに該試料ホルダー７をその成膜面に該反射板５からの反射グラファイト粒子Ｂと該イオン源１６からのイオンビームＣの両方の照射を受けるように傾斜して設け、成膜中は回転軸１７により該試料ホルダー７をその面方向に回転させて均一な堆積とイオン照射を受けるようにした。該イオン源１６は公知のもので、そのイオン引出口を碍子１８を介して成膜室１に取り付け、ガス源１９から圧力調整器２０、仕切バルブ２１、流量調整器２２及び仕切バルブ２３を介して導入された定量のガスを放電によりイオン化すると共に引出電極によりイオン引出口から該試料ホルダー７に向けてビーム状にイオンが放射される。２４はイオン源の放電用電源、２５はイオン引出用電源である。
【００１４】
その作動を説明すると、成膜室１内を真空排気系２により例えば１×１０^-5Paに排気し、この状態で該蒸発源３のルツボに充填した成膜材料のグラファイトに電子ビームＥを照射し、これを溶融気化する。気化したグラファイト粒子は、原子状（Ｃ）あるいは分子状（Ｃ₂、Ｃ₃）となって上方へ飛行する。このグラファイト粒子は、加熱されたＭｏ製の反射板５に到達するが、該反射板５が１６００℃の高温に加熱されているため、これに接触した分子状のグラファイト粒子は解離して原子状化が進み、例えば９７％が原子状のグラファイト粒子となって試料ホルダー７上に堆積し、成膜室１内にガス分子が殆ど存在しないので緻密でダストやドロプレットの少ないグラファイト膜が堆積する。この堆積中に、仕切バルブ２１、２３を開放し、ガス源１９のガスボンベから例えばアルゴンガスを流量調整器２２と２次圧力を約１気圧に調整した圧力調整器２０で制御してイオン源１６内へ導入すると共に放電用電源２４から電力を供給することで、イオン源１６内でアルゴン等のプラズマを発生させ、この状態でイオン引出用電源２５から例えばプラス１００Ｖ程度の電位を引出電極に与え、プラズマ中のイオンを１００ｅＶのエネルギーをもってビーム状に加速し、これを堆積中の原子状のグラファイト膜に照射する。グラファイト膜は通常の堆積では結晶化しながら堆積するが、その堆積中にエネルギーを持ったイオンを衝突させることでエネルギーを付与を受け、結晶化したグラファイトの構造が崩れてアモルファス化すると共に格子間距離が小さくなり、硬質で緻密な膜すなわち非常に硬いダイヤモンドライクカーボン膜が形成される。
【００１５】
該蒸発源３のグラファイトを、電子銃からの電子ビームにより加熱蒸発させることで、不純物の混入の少ないグラファイト粒子をクリーンな成膜室１内へ蒸発させることができる。該反射板５には、Ｍoに限らず他の耐熱性の大きい材料を使用することができ、イオンビームＣにはアルゴン以外の不活性なイオンを使用してもよい。イオンのエネルギーの大きさは、堆積したグラファイトをスパッタしない程度に設定される。
【００１６】
【実施例】
図３に示した構成の装置に於いて、成膜室１内を真空排気系２により１×１０^-5Paに排気し、Ｍｏ製の反射板５を１６００℃に加熱すると共にＳｉ製の試料ホルダー７は８００℃に加熱し、この状態で蒸発源３に用意した純度９９．９９％のグラファイト粉末Ｄに電子ビームＥを照射して溶融蒸発させた。これと同時にイオン源１６に１気圧に調整したアルゴンガスを供給し、放電用電源２４から２００Ｗの電力を投入してイオン源１６内にアルゴンプラズマを発生させ、グラファイト粒子が堆積中の試料ホルダー７の成膜面に引出電極に１００Ｖを与えて１００ｅＶのアルゴンイオンビームＣを照射した。
【００１７】
該蒸発源３から蒸発したグラファイト粒子は、反射板５で反射されて原子状に解離されて試料ホルダー７に堆積するが、その堆積中に該イオンビームＣが照射されているため、該グラファイト膜がアモルファス化し、その堆積厚さが１００ｎｍになったところで蒸発及びイオンビームＣの照射を止めた。該試料ホルダー７に堆積した膜の硬度を測定したところ、ビッカース硬度でＨＶ＝３０００であった。この膜は、従来の方法で得られる膜よりも大幅に硬く、ダイヤモンドに近いダイヤモンドライクカーボン膜であった。
【００１８】
比較のために図２の方法で製作した膜の硬度は、ビッカース硬度でＨＶ＝２０００、図１の方法で製作した膜は、ＨＶ＝２３００であった。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明によるときは、電子ビームで加熱されて蒸発するグラファイト粒子を加熱された反射板で反射させて試料ホルダーに堆積する際に、イオンビームを照射するようにしたので、堆積した不純物の混入の少ない膜をアモルファス化し且つ格子間距離を小さくして硬質で緻密なダイヤモンドライクカーボン膜を形成できる効果があり、請求項６及び７の構成の装置により本発明を適切に実施できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＣＶＤ法によるカーボン膜の形成方法の説明図
【図２】従来の他のＣＶＤ法によるカーボン膜の形成方法の説明図
【図３】本発明の実施に使用した装置の截断側面図
【符号の説明】
１ 成膜室、２ 真空排気系、３ 電子ビーム蒸発源、４・８ 加熱ヒーター、
５ 反射板、７ 試料ホルダー、１６ イオン源、Ｃ イオンビーム、

Claims (7)

1. 真空排気された成膜室内において、イオンビーム生成用のガス以外を導入せずに、蒸発源から蒸発させたグラファイト粒子を、該蒸発源の上方の加熱された耐熱金属製の反射板により反射させて加熱された試料ホルダー面上に堆積させ、その堆積中にイオンビームを該試料ホルダー面上の堆積物に照射することを特徴とするダイヤモンドライクカーボン膜の形成方法。
2. 上記の耐熱金属が、モリブデン、タングステン、タンタル、レニウムであることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンドライクカーボン膜の形成方法。
3. 上記蒸発源に電子ビーム蒸発源を使用し、上記イオンビームにはアルゴン、ヘリウム、ネオンなどの希ガスのイオンのイオンビームを使用することを特徴とする請求項１又は２に記載のダイヤモンドライクカーボン膜の形成方法。
4. 真空排気された成膜室内において、イオンビーム生成用のガス以外を導入せずに、蒸発源から蒸発させたグラファイト粒子を、該蒸発源の上方の加熱された耐熱金属製の反射板により反射させて加熱された試料ホルダー面上に堆積させ、その堆積中にイオンビームを該試料ホルダー面上の堆積物に照射して作製したことを特徴とするダイヤモンドライクカーボン膜。
5. 上記の耐熱金属が、モリブデン、タングステン、タンタル、レニウムであることを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンドライクカーボン膜。
6. 真空排気された成膜室内にグラファイトを収容した蒸発源を設け、該蒸発源の上方に加熱された耐熱金属製の反射板を傾斜させて設けるとともに該反射板の反射方向に加熱装置を備えた板状の試料ホルダーをその成膜面に該反射板からの反射グラファイト粒子と該イオン源からのイオンビームの両方の照射を受けるように傾斜させ、成膜中は回転軸により該試料ホルダーをその面方向に回転させて均一な堆積とイオン照射を受けるように設け、該試料ホルダーの板面に向けてイオンビームを照射するイオン源を設け、該成膜室内にはイオンビーム生成用のガス以外を導入しないようにしたことを特徴とするダイヤモンドライクカーボン膜の形成装置。
7. 上記の耐熱金属が、モリブデン、タングステン、タンタル、レニウムであることを特徴とする請求項６に記載のダイヤモンドライクカーボン膜の形成装置。

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