JP4497466B2 - 硬質窒化炭素膜の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、耐摩耗性、摺動性、装飾、耐凝着性、離型性などの目的でダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）膜よりも硬質な窒化炭素膜を作製することが可能な方法に関する。

従来法による硬質窒化炭素膜の作製は、ＰＶＤ（物理蒸着）法として、反応性ＤＣスパッタリング、反応性ＲＦスパッタリング、レーザーアブレーション、イオン注入、イオンアシストＤＣスパッタリング、イオンアシストダイナミックミキシング、アークイオンプレーティング、ホローカソード放電（ＨＣＤ）イオンプレーティグなどが、また、ＣＶＤ（化学蒸着）法としてＲＦプラズマＣＶＤなどがある。
これらの手法における原料としては、ＰＶＤ法では炭素源としては黒鉛が、また、窒素源としては窒素ガスが使用されている。ＣＶＤ法では炭素源としてはＣＨ₄などの炭化水素が、窒素源としては窒素ガスが用いられている。
また、これら原料から窒化炭素膜を形成するのに、前記手法が単一に用いられているのみで、原料の分解と膜形成のための付加的な活性手段は取り入れられていない。

従来法では、窒化炭素膜の構成元素である炭素と窒素の化学的活性度を強くする手段が付加されていないため、窒化炭素膜の硬質膜としての理論的化学量論組成β−Ｃ₃Ｎ₄の組成比Ｎ／Ｃ＝１．３３よりかなり小さな値で、ほとんどの場合０．５程度であり、また、大きくても１未満である。また、β−Ｃ₃Ｎ₄についての理論的計算結果（A.Y.Liu and M.L.Cohen,Science,245(l989)841）によれば、この物質はβ−Ｓ₃Ｎ₄と同じ結晶構造を有し、ダイヤモンドを凌ぐ体積弾性率、即ちダイヤモンドに勝る硬さを持つとされているが、その様な特性の超硬質窒化炭素膜は得られていない。
そこで、本発明では、窒化炭素膜の窒素含有量を多くして、且つ窒素と炭素の化学結合が強固で緻密な膜にすることにより、硬さの大きい窒化炭素膜を作製する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者は鋭意検討の結果、ホローカソード放電を利用した窒化炭素膜を形成する際に、被処理材の表面近傍にマイクロ波プラズマ放電を誘起することにより、上記課題を解決することを見出した。
一般に、１ＧＨｚ以上の周波数領域の放電をマイクロ波プラズマ放電というが、最もよく使用されているのは２．４５ＧＨｚである。マイクロ波は導波管でプラズマ発生部に送られ、電力を局所的に注入できるため、他の放電によって得られるプラズマに比して高密度のプラズマを生成できる。そのため気体分子の励起及びイオン化が促進され、活性種としての多量のラジカルとイオンの発生効率がよいなどの特徴がある。このマイクロ波のエネルギーを被処理材に入射する直前の窒素及び炭素に供給することにより、それらを化学的に活性化し、それによりＮ／Ｃ組成比が高く、且つ緻密な、優れた硬質窒化炭素膜を形成する方法が本発明である。
即ち、本発明の硬質窒化炭素膜の作製方法は、請求項１に記載のとおり、被処理材の表面に硬質窒化炭素膜を形成するための方法であって、処理室内において、窒素ガス又はアンモニアガスを導入しながら、原料炭素をホローカソード放電を利用して加熱、昇華させ、それと同時に被処理材の表面近傍にマイクロ波プラズマ放電を誘起して窒素及び炭素を活性化し、前記被処理材の表面に硬質窒化炭素膜を蒸着形成することを特徴とする。
請求項２に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法は、請求項１に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法において、前記ホローカソード放電のホローカソード電流を１５０〜３００Ａとしたことを特徴とする。
また、請求項３に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法は、請求項１又は２に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法において、前記窒素ガスの導入量を５０〜５００ｓｃｃｍとし、その時の成膜中の圧力を０．０４〜０．６Ｐａとしたことを特徴とする。
また、請求項４に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法は、請求項１又は２に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法において、前記アンモニアガスの導入量を３０〜４００ｓｃｃｍとし、その時の成膜中の圧力を０．０５〜０．７Ｐａとしたことを特徴とする。
また、請求項５に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法は、請求項３又は４に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法において、前記窒素ガス又はアンモニアガスを導入するガス導入ノズルの直流印加電圧を０〜２００Ｖとしたことを特徴とする。
また、請求項６に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法は、請求項１乃至５のいずれかに記載の硬質窒化炭素膜の作製方法において、前記ホローカソード放電時の生成プラズマをコイル磁場で収束することを特徴とする。
また、請求項７に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法は、請求項６に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法において、前記コイル磁場は、原料炭素を収容するハースの周囲に配置されるコイルによって生成されるものであることを特徴とする。
また、請求項８に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法は、請求項６又は７に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法において、前記コイルに通電するコイル電流を１２０〜２４０Ａとしたことを特徴とする。
また、請求項９に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法は、請求項１乃至８に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法において、前記マイクロ波プラズマ放電の投入電力を３００〜３０００Ｗとしたことを特徴とする。

このように、本発明によれば、処理室内において、窒素ガス又はアンモニアガスを導入しながら、原料炭素をホローカソード放電を利用して加熱、昇華させ、同時に前記被処理材の表面近傍にマイクロ波プラズマ放電を発生させながら該被処理材表面に硬質窒化炭素膜を蒸着することにより、マイクロ波プラズマ放電を付加しない場合よりもＮ／Ｃ化学組成比が大きくて緻密な、硬さの大きい膜を得ることができる。

本発明の硬質窒化炭素膜の作製方法は、緻密なダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）膜より硬い硬質窒化炭素膜の作製に際しそのＮ／Ｃ組成比を高くし、且つ緻密になるようにしたものであり、ガラス、金属、セラミックス、半導体等からなる任意の被処理材の表面に良質な硬質窒化炭素膜を作製できるようにしたものである。
本発明では、成膜速度を上げるため、大電流の電子ビームで原料の固体黒鉛などの炭素を加熱、昇華させ、導入窒素ガス又はアンモニアガスとともに被処理材の表面に蒸着させるために、ホローカソード放電を利用するようにしたものであり、且つ被処理材の表面への入射直前の窒素及び炭素をマイクロ波プラズマ放電により活性化するようにしたものである。
ホローカソード放電では、真空排気系内に窒素ガス又はアンモニアガスを導入しながらホローカソード放電ガンより、銅製水冷ハース内の原料固体黒鉛に対してアルゴンガスを流し込み、このアルゴンガスを前記ホローカソード放電ガンと前記水冷ハース間にかけた直流電圧によりイオン化することで大電流を得、原料固体黒鉛を加熱、昇華させるようにしたものである。このホローカソード放電の大電流により導入窒素ガス又はアンモニアガスや炭素のイオン化が促進され、硬質窒化炭素膜の高い成膜速度が実現できる。
前記ホローカソード放電では、３０〜４０Ｖの低電圧で、１００〜１０００Ａの大電流の電子ビームが得られるが、原子のイオン化が最大をとる電離電圧（１００Ｖ近傍）の電圧に近く、また、大電流であるため、原子と電子の衝突確率が極めて大きく、そのため、蒸発材料のイオン化が極めて大きい。従って、ホローカソード電流が大きいほど、成膜速度は大きくなるが、あまり大きすぎると、得られる硬質窒化炭素膜の表面が粗くなるため、ホローカソード放電を利用した蒸着で硬質窒化炭素膜を成膜するには、ホローカソード電流は１５０〜３００Ａが適切である。
尚、イオン化されたアルゴンガスを被処理材に印加した電場で加速衝突させることで、被処理材表面のクリーニング効果を高めることができる。
前記窒素ガス又はアルゴンガスはホローカソード放電ガンに併設されたガス導入ノズルから、或いは、前記ホローカソード放電ガンから導入され、ガス導入ノズルから導入する場合は、ガス導入ノズルに直流電位を印加して、窒素ガス又はアンモニアガスのイオン化を促進することが好ましい。この場合、前記アンモニアガスを導入するガス導入ノズルヘの直流印加電圧を０〜２００Ｖとするのが好ましい。
また、良質な膜質とするためには前記窒素ガス使用の場合は、その導入量は５０〜５００ｓｃｃｍ程度、その時の処理室内の圧力は０．０４〜０．６Ｐａ程度とすることが好ましい。また、前記アンモニアガス使用の場合は、その導入量は３０〜４００ｓｃｃｍ程度、その時の処理室内の圧力は０．０５〜０．７Ｐａ程度とすることが好ましい。
また、ホローカソード放電に際してのコイル磁場の形成により、このコイル磁場によって、生成プラズマが収束され、窒素、炭素、アルゴンのイオン化が促進され、形成された硬質窒化炭素膜は密着性に優れ、硬度も増大することとなり、膜の硬度を向上させた上に、成膜速度を速くすることができる。
前記コイル磁場は、原料炭素を収容するハースの周辺に配置されるコイルによって生成されるようにすることが好ましく、この場合、前記コイルに通電するコイル電流を１２０〜２４０Ａとすることにより、ＨＶ３１００〜３６００の硬さの膜が形成される。
このコイル電流の増加に略直線的に比例して硬質窒化炭素膜の硬度が増加することになる。
尚、硬質炭素膜の場合と異なり、硬質窒化炭素膜の場合は、被処理物にバイアス電圧をかけなくとも、コイル電流の増加に略直線的に比例して硬質窒化炭素膜の硬度が増加することになる。
尚、被処理物は、浮遊電位、接地電位、或いは、外部からの電位を印加した状態においてもよい。
また、前記外部印加電位は直流、高周波、或いは、低周波の任意の電位を用いることができる。
この場合、直流では、−２００Ｖ、１〜２Ａ、商用周波数の交流では２００Ｖ、２〜３Ａ、高周波電位の場合の電力は１００〜５００Ｗである。
更に、本発明の特徴とする前記マイクロ波プラズマ放電のためのマイクロ波は、マイクロ波発振器により発振した２．４５ＧＨｚのマイクロ波を導波管により導き、石英ガラスを通して真空槽内に導入する。
被処理材表面近傍でマイクロ波プラズマ放電が持続し、被処理材表面への入射直前の窒素及び炭素を活性化してその化学結合を強固なものにするためには、前記マイクロ波プラズマ放電の投入電力を３００〜３０００Ｗとする。これにより硬質窒化炭素膜のＮ／Ｃ組成比及び緻密さが増加し、マイクロ波を付加しない場合よりも硬度が増加してＨＶ４０００以上の膜が作製される。
図１は本発明の硬質窒化炭素膜の作製方法を実施するための装置の一例を示すもので、図中１はステンレス製の処理室を示し、この処理室１は図略の真空排気系に連通され、処理室１内の圧力に調整自在とされている。
処理室１内の底部には、銅製水冷ハース２が設けられ、該ハース２内に原料の固体黒鉛Ｃなどを収容できるようになっている。
この水冷ハース２の直上にはアルゴン供給管３に連通されるタンタル製のホローカソード放電ガン（以下、「ＨＣＤガン」という。）４が配置されている。これら水冷ハース２とＨＣＤガン４とはＨＣＤガン電源５に連通されている。
図中６はガス供給通路７に連通される窒素ガス又はアンモニアガス導入ノズルを示し、前記水冷ハース２の側方に隣接配置され、処理室１内に窒素ガス又はアンモニアガスを導入できるようになっている。このガス導入ノズル６はノズルバイアス電源８に連通され、バイアス電圧を印加できるようになっている。
かくして、ＨＣＤガン４より、水冷ハース２内の原料固体黒鉛Ｃに対しアルゴンガスを流し込み、ガス導入ノズル６から処理窒１内に窒素ガス又はアンモニアガスを導入しながらＨＣＤガン電源５からの通電により、このアルゴンガスと窒素ガス又はアンモニアガスを、前記ＨＣＤガン４と前記水冷ハース２間にかけた直流電圧によりイオン化することで大電流を得、原料固体炭素を加熱、昇華させ、窒化炭素膜を作製させることができるようになっている。
また、前記水冷ハース２の周囲にコイル用電源９に連通されるコイル１０が配置され、前記イオン化されたアルゴンガスのプラズマを収束できるようになっている。
また、処理室１内の天井部には被処理材ホルダー１１が設けられ、被処理材Ａを支持自在とされ、この被処理材ホルダー１１の背面に設けられたヒータ１２で被処理材Ａを所定温度に加熱自在とされている。
前記基板は加熱しても、或いは、加熱せずに室温状態で硬質窒化炭素膜が得られるが、硬質窒化炭素膜と被処理物の密着性を向上させるためには、加熱することが好ましく、この場合、４００℃以下に加熱するのが好ましい。
また、被処理材ホルダー１１には被処理材バイアス電源１３が連通され、必要に応じ、直流、高周波、低周波などの任意のバイアスをかけることができるようになっている。
更に、マイクロ波発振器１４によって発振させられた２．４５ＧＨｚのマイクロ波は導波管１５により導かれ、石英ガラス１６を通して真空槽１内に入り、被処理材Ａ近傍でマイクロ波プラズマ放電が発生して、被処理材表面への入射直前の窒素及び炭素を活性化してその化学結合が強固なものになるようにし、良質な硬質窒化炭素膜が作製できるようになっている。尚、図中１７で示されるものは、プランジャである。

次に本発明硬質窒化炭素膜の作製方法の具体的実施例について説明する。

（実施例１）
被処理材としてＳｉウエハを設置し、図１の処理室を１０^-3Ｐａ程度に排気した後、タンタル製ＨＣＤガンからアルゴンガスを導入し、２０Ｐａの圧力に調整した。
その後、ＨＣＤガン−ハース間に５０Ｖの電圧と、それに重畳し、高周波電圧を印加し、アルゴンガスのグロー放電を起こさせた。アルゴンガスのプラズマを収束させるためにコイルに約１００Ａの電流を流し、ガンとハース間の放電を促進するためにガンに併設した補助電極とガンの間に最大３５０Ｖの電圧をかけた。ガン−ハース間のアーク放電が点火した後、アルゴンガスの流量を変えずに、処理室を油拡散で排気し、０．１Ｐａ程度の圧力にした。
第一段階として、被処理材のクリーニングを以下の条件で行った。即ち、ＨＣＤガン電流１００Ａ、窒素ガス又はアンモニアガス流量０ｓｃｃｍ、コイル電流１８０Ａ、被処理材−設置電圧−８００Ｖ、クリーニング時間５分間とした。
次に、第二段階で、窒化炭素膜の蒸着を行った。即ち、クリーニングの条件から１分間で以下のように装置の条件を変えていった。
ＨＣＤガン電流１５０Ａ、ＨＣＤガンからのアルゴンガス流量１０ｓｃｃｍ、ガス導入ノズルからの窒素ガス流量２００ｓｃｃｍ、コイル電流２００Ａ、被処理材への電位印加なし、ノズル−接地間電圧５０Ｖとした。
マイクロ波プラズマ放電のための出力電力は５００Ｗにし、６０分間で厚さ５．８μｍの窒化炭素膜が得られた。この時の成膜中の圧力は０．３２Ｐａであった。
成膜速度は９７ｎｍ／ｍｉｎで、得られた膜の化学組成比Ｎ／Ｃは、ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザー）によれば０．９９で、硬さはＨＶ４１００であった。

（比較例１）
マイクロ波プラズマ放電のための出力電力を付加せず０Ｗとした以外は実施例１と同様にして窒化炭素膜を作製した。尚、成膜中の圧力は、０．３４Ｐａであった。
成膜速度は１００ｎｍ／ｍｉｎで、得られた化学組成比Ｎ／Ｃは０．７５で、硬さはＨＶ３３００であった。

（実施例２）
実施例１と同様に被処理材としてＳｉウエハを使用し、実施例１と同様の第一段階のクリーニングを行い、第二段階での硬質窒化炭素膜の蒸着を、ＨＣＤガン電流１５０Ａ、ＨＣＤガンからのアルゴンガス流量０ｓｃｃｍ、ＨＣＤガンからのアンモニアガス流量１００ｓｃｃｍ、ガス導入ノズルからのアンモニアガス流量０ｓｃｃｍ、コイル電流２００Ａ、被処理材への電位印加なしとした。
マイクロ波プラズマ放電のための出力電力は５００Ｗにし、１００分間で厚さ６．５μｍの窒化炭素膜が得られた。この時の成膜中の圧力は０．２０Ｐａであった。
成膜速度は６５ｎｍ／ｍｉｎで、得られた膜の化学組成比Ｎ／Ｃは１．３０で、硬さはＨＶ４４００であった。

（比較例２）
マイクロ波プラズマ放電のための出力電力を付加せず０Ｗとした以外は実施例２と同様にして窒化炭素膜を作製した。尚、成膜中の圧力は、０．１９Ｐａであった。
成膜速度は６６ｎｍ／ｍｉｎで、得られた化学組成比Ｎ／Ｃは１．０７で、硬さはＨＶ３６００であった。
以上の結果を表１にまとめた。

上記表１から、実施例１及び２では、比較例１及び２に比べて、Ｎ／Ｃ組成比の高い、硬さの大きい硬質窒化炭素膜が得られることが判った。
また、実施例１の窒素ガスより反応性の高いアンモニアガスを使用した実施例２の方が、実施例１に比べて、よりＮ／Ｃ組成比が高く、硬さの大きい硬質窒化炭素膜が得られることが判った。

本発明硬質窒化炭素膜の作製装置の一実施の形態の説明図

符号の説明

１ 処理室
２ 銅製水冷ハ−ス
３ アルゴン（窒素又はアンモニア）供給管
４ ホローカソード放電ガン
５ ＨＣＤガン電源
６ 窒素ガス又はアンモニアガス導入ノズル
７ ガス供給経路
８ ノズルバイアス電源
９ コイル用電源
１０ コイル
１１ 被処理材ホルダー
１２ ヒータ
１３ 被処理材バイアス電源
１４ マイクロ波発振器
１５ 導波管
１６ 石英ガラス
１７ プランジャ
Ａ 被処理材
Ｃ 黒鉛

Claims (9)

1. 被処理材の表面に硬質窒化炭素膜を形成するための方法であって、処理室内において、窒素ガス又はアンモニアガスを導入しながら、原料炭素をホローカソード放電を利用して過熱、昇華させ、それと同時に被処理材の表面近傍にマイクロ波プラズマ放電を誘起して窒素及び炭素を活性化し、前記被処理材の表面に硬質窒化炭素膜を蒸着形成することを特徴とする硬質窒化炭素膜の作製方法。
2. 前記ホローカソード放電のホローカソード電流を１５０〜３００Ａとしたことを特徴とする請求項１記載の硬質窒化炭素膜の作製方法。
3. 前記窒素ガスの導入量を５０〜５００ｓｃｃｍとし、その時の圧力を０．０４〜０．６Ｐａとしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の硬質窒化炭素膜の作製方法。
4. 前記アンモニアガスの導入量を３０〜４００ｓｃｃｍとし、その時の圧力を０．０５〜０．７Ｐａとしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の硬質窒化炭素膜の作製方法。
5. 前記窒素ガス又はアンモニアガスを導入するガス導入ノズルの直流印加電圧を０〜２００Ｖとしたことを特徴とする請求項３又は請求項４記載の硬質窒化炭素膜の作製方法。
6. 前記ホローカソード放電時の生成プラズマをコイル磁場で収束することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の硬質窒化炭素膜の作製方法。
7. 前記コイル磁場は、原料炭素を収容するハースの周囲に配置されるコイルによって生成されるものであることを特徴とする請求項６に記載の硬質窒化炭素膜の作製方法。
8. 前記コイルに通電するコイル電流を１２０〜２４０Ａとしたことを特徴とする請求項６又は７記載の硬質窒化炭素膜の作製方法。
9. 前記マイクロ波プラズマ放電の投入電力を３００〜３０００Ｗとしたことを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の硬質窒化炭素膜の作製方法。

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