JP5120924B2 - Method for producing amorphous carbon film - Google Patents

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Description

本発明は、アモルファスカーボン膜の製造方法および製造装置に関するものである。   The present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing an amorphous carbon film.

現在、アモルファスカーボン(ダイヤモンドライクカーボン:DLCとも言う)の薄膜は、主に機械部品等の耐摩耗性向上のためのコーティングとして用いられている。アモルファスカーボン薄膜の製造方法としてはマイクロ波プラズマCVD法が一般的であり、例えば特許文献1にはマイクロ波プラズマCVD法によってアモルファスカーボン薄膜を製造する方法が記載されている。
特開平8−165194号公報
At present, a thin film of amorphous carbon (also called diamond-like carbon: DLC) is mainly used as a coating for improving wear resistance of mechanical parts and the like. As a method for producing an amorphous carbon thin film, a microwave plasma CVD method is generally used. For example, Patent Document 1 describes a method for producing an amorphous carbon thin film by a microwave plasma CVD method.
JP-A-8-165194

アモルファスカーボンは、上述したコーティング用途のほか、半導体材料としても注目されている。炭素の結合形態にはsp2結合およびsp3結合の二種類があり、sp2結合のみで構成されると層状構造のグラファイトとなり、sp3結合のみで構成されるとダイヤモンドとなる。グラファイトはバンドギャップエネルギーが0の導電体であるが、ダイヤモンドはバンドギャップエネルギーが約5.5[eV]の絶縁体である。アモルファスカーボンは、sp2結合およびsp3結合が混在する構成を有しており、半導体材料としての利用可能性が模索されている。   Amorphous carbon has attracted attention as a semiconductor material in addition to the above-described coating applications. There are two types of carbon bonding, sp2 bonding and sp3 bonding. When it is composed of only sp2 bonds, it becomes a layered graphite, and when it is composed of only sp3 bonds, it becomes diamond. Graphite is a conductor with a band gap energy of 0, while diamond is an insulator with a band gap energy of about 5.5 [eV]. Amorphous carbon has a configuration in which sp2 bonds and sp3 bonds are mixed, and the possibility of using it as a semiconductor material is being sought.

アモルファスカーボンを半導体として利用するためには、そのバンドギャップエネルギーを所望の値に制御する必要がある。しかしながら、アモルファス状態(非結晶)の場合、構造に規則性がないため、構造変化がバンドギャップエネルギーに及ぼす影響の予測が難しい。したがって、従来では様々な製造パラメータを試した上で所望のバンドギャップエネルギーを実現できる製造パラメータを特定しており、極めて非効率的であった。   In order to use amorphous carbon as a semiconductor, it is necessary to control its band gap energy to a desired value. However, in the amorphous state (non-crystalline), since the structure is not regular, it is difficult to predict the influence of the structural change on the band gap energy. Therefore, conventionally, manufacturing parameters that can realize a desired band gap energy are specified after trying various manufacturing parameters, which is extremely inefficient.

本発明は、上述した問題点を鑑みてなされたものであり、所望のバンドギャップエネルギーを容易に実現できるアモルファスカーボン膜の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an amorphous carbon film manufacturing method and manufacturing apparatus that can easily realize desired band gap energy.

上記した課題を解決するために、本発明による第1のアモルファスカーボン膜の製造方法は、アモルファスカーボン膜を成長させるための原料ガスにマイクロ波を照射して該原料ガスのプラズマを生成し、基材上にアモルファスカーボン膜を形成する工程を含み、マイクロ波の出力強度を周期的に変化させつつマイクロ波を原料ガスに照射することを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a first method for producing an amorphous carbon film according to the present invention generates a plasma of the source gas by irradiating a source gas for growing the amorphous carbon film with microwaves. The method includes a step of forming an amorphous carbon film on a material, and the source gas is irradiated with microwaves while periodically changing the output intensity of the microwaves.

また、本発明による第1のアモルファスカーボン膜の製造装置は、アモルファスカーボン膜を成長させるための原料ガスを供給する原料ガス源と、原料ガスのプラズマが生成される領域を提供するチャンバと、原料ガスをプラズマ化するためのマイクロ波をチャンバへ出力するマイクロ波発生部とを備え、マイクロ波発生部は、マイクロ波の出力強度を周期的に変化させつつマイクロ波をチャンバへ出力することを特徴とする。   A first amorphous carbon film manufacturing apparatus according to the present invention includes a source gas source for supplying a source gas for growing an amorphous carbon film, a chamber for providing a region in which source gas plasma is generated, and a source material And a microwave generation unit that outputs a microwave for converting the gas into a plasma to the chamber, and the microwave generation unit outputs the microwave to the chamber while periodically changing the output intensity of the microwave. And

本発明者は、マイクロ波プラズマCVD法によってアモルファスカーボン膜を形成する際に、マイクロ波の出力強度を周期的に変化させつつマイクロ波を原料ガスに照射することによって、アモルファスカーボン膜のバンドギャップエネルギーを任意の値に制御できることを見出した。一例を挙げると、周期的に変化するマイクロ波のデューティ比と、アモルファスカーボン膜のバンドギャップエネルギーとの間に一定の相関があり、所望のバンドギャップエネルギーを得るためには、該バンドギャップエネルギーに対応するデューティ比にマイクロ波を設定するとよい。したがって、上記した第1のアモルファスカーボン膜の製造方法および製造装置によれば、所望のバンドギャップエネルギーを容易に実現できる。   When forming an amorphous carbon film by the microwave plasma CVD method, the inventor irradiates the source gas with microwaves while periodically changing the output intensity of the microwaves, thereby obtaining the band gap energy of the amorphous carbon film. It was found that can be controlled to an arbitrary value. As an example, there is a certain correlation between the duty ratio of the periodically changing microwave and the band gap energy of the amorphous carbon film. In order to obtain a desired band gap energy, It is better to set the microwave to the corresponding duty ratio. Therefore, according to the manufacturing method and manufacturing apparatus of the first amorphous carbon film described above, a desired band gap energy can be easily realized.

また、上述した第1のアモルファスカーボン膜の製造方法および製造装置において、マイクロ波の出力強度を周期的に変化させる際には、マイクロ波の照射を断続的に停止する動作、およびパルス状のマイクロ波を断続的に照射する動作のうち少なくとも一方の動作を行うと尚良い。また、上述した第1のアモルファスカーボン膜の製造装置は、パルス状のマイクロ波のデューティ比を可変にする手段を更に備えると尚良い。   Further, in the above-described first amorphous carbon film manufacturing method and manufacturing apparatus, when the microwave output intensity is periodically changed, the operation of intermittently stopping the microwave irradiation, and the pulsed micro More preferably, at least one of the operations of intermittently irradiating the wave is performed. The first amorphous carbon film manufacturing apparatus described above preferably further includes means for changing the duty ratio of the pulsed microwave.

また、本発明による第2のアモルファスカーボン膜の製造方法は、所定のバンドギャップエネルギーを有する半導体膜としてのアモルファスカーボン膜を製造するための方法であって、アモルファスカーボン膜を成長させるための原料ガスに、パルス状のマイクロ波を所定のバンドギャップエネルギーに対応するデューティ比で断続的に照射して該原料ガスのプラズマを生成し、基材上にアモルファスカーボン膜を形成することを特徴とする。 A second amorphous carbon film manufacturing method according to the present invention is a method for manufacturing an amorphous carbon film as a semiconductor film having a predetermined band gap energy, and is a source gas for growing an amorphous carbon film. In addition, pulsed microwaves are intermittently irradiated with a duty ratio corresponding to a predetermined band gap energy to generate plasma of the source gas, thereby forming an amorphous carbon film on the substrate.

また、本発明による第2のアモルファスカーボン膜の製造装置は、所定のバンドギャップエネルギーを有するアモルファスカーボン膜を製造するための装置であって、アモルファスカーボン膜を成長させるための原料ガスを供給する原料ガス源と、原料ガスのプラズマが生成される領域を提供するチャンバと、原料ガスをプラズマ化するためのマイクロ波をチャンバへ出力するマイクロ波発生部とを備え、マイクロ波発生部は、パルス状のマイクロ波を所定のバンドギャップエネルギーに対応するデューティ比で断続的にチャンバへ出力することを特徴とする。   A second amorphous carbon film manufacturing apparatus according to the present invention is an apparatus for manufacturing an amorphous carbon film having a predetermined band gap energy, and is a raw material for supplying a source gas for growing an amorphous carbon film. A gas source, a chamber that provides a region where plasma of the source gas is generated, and a microwave generator that outputs a microwave for converting the source gas into plasma are output to the chamber. The microwave is intermittently output to the chamber at a duty ratio corresponding to a predetermined band gap energy.

上述したように、マイクロ波のデューティ比と、アモルファスカーボン膜のバンドギャップエネルギーとの間には一定の相関があり、所望のバンドギャップエネルギーを得るためには、該バンドギャップエネルギーに対応するデューティ比にマイクロ波を設定するとよい。したがって、上記した第2のアモルファスカーボンの製造方法および製造装置によれば、所望のバンドギャップエネルギーを容易に実現できる。   As described above, there is a certain correlation between the duty ratio of the microwave and the band gap energy of the amorphous carbon film. In order to obtain a desired band gap energy, the duty ratio corresponding to the band gap energy is obtained. Set the microwave to. Therefore, according to the above-described second amorphous carbon manufacturing method and manufacturing apparatus, desired band gap energy can be easily realized.

本発明によるアモルファスカーボン膜の製造方法および製造装置によれば、所望のバンドギャップエネルギーを容易に実現できる。   According to the method and apparatus for producing an amorphous carbon film according to the present invention, a desired band gap energy can be easily realized.

以下、添付図面を参照しながら本発明によるアモルファスカーボン膜の製造方法および製造装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。   Embodiments of an amorphous carbon film manufacturing method and manufacturing apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1は、本発明によるアモルファスカーボン膜の製造装置の一実施形態として、マイクロ波プラズマCVD装置10の構成を示す側面断面図である。図1に示すように、マイクロ波プラズマCVD装置10は、チャンバ11と、原料ガス源12と、導波路14と、マイクロ波発生部15とを備えている。   FIG. 1 is a side sectional view showing a configuration of a microwave plasma CVD apparatus 10 as an embodiment of an apparatus for producing an amorphous carbon film according to the present invention. As shown in FIG. 1, the microwave plasma CVD apparatus 10 includes a chamber 11, a source gas source 12, a waveguide 14, and a microwave generator 15.

チャンバ11は、原料ガスGのプラズマPが生成される領域を提供する気密容器である。チャンバ11は、原料ガス源12と配管を介して接続されている。原料ガス源12はチャンバ11に原料ガスGを供給する。一方、チャンバ11の排出口19には排気ポンプからなる排気手段13が設けられている。アモルファスカーボン膜を成長するに先立って、排気手段13は真空引きによりチャンバ11内を減圧する。また、チャンバ11内には、アモルファスカーボン膜の形成対象である基材Bを支持するための基材ステージ18が設けられている。   The chamber 11 is an airtight container that provides a region where the plasma P of the source gas G is generated. The chamber 11 is connected to the source gas source 12 via a pipe. A source gas source 12 supplies a source gas G to the chamber 11. On the other hand, the exhaust port 19 of the chamber 11 is provided with an exhaust means 13 comprising an exhaust pump. Prior to growing the amorphous carbon film, the exhaust means 13 depressurizes the inside of the chamber 11 by evacuation. In the chamber 11, a substrate stage 18 is provided for supporting the substrate B that is an object for forming an amorphous carbon film.

マイクロ波発生部15は、チャンバ11に導入された原料ガスGをプラズマ化するためのマイクロ波Wを、導波路14を介してチャンバ11へ出力し、原料ガスGに照射する。マイクロ波発生部15は、例えば出力600〜1400[W]、周波数2.45GHzのマイクロ波Wをマグネトロン等により発生する。   The microwave generation unit 15 outputs the microwave W for converting the raw material gas G introduced into the chamber 11 into plasma through the waveguide 14 to the chamber 11 and irradiates the raw material gas G. The microwave generation unit 15 generates, for example, a microwave W having an output of 600 to 1400 [W] and a frequency of 2.45 GHz by a magnetron or the like.

また、マイクロ波発生部15は、マイクロ波Wの出力強度を周期的に変化させつつマイクロ波Wを原料ガスGに照射する。ここで、マイクロ波Wの出力強度を周期的に変化させるとは、例えばマイクロ波Wの照射を断続的に停止したり、或いはパルス状のマイクロ波Wを断続的に照射するといった動作を指す。図2は、マイクロ波発生部15から出力されるマイクロ波Wの波形の一例を示す図である。図2に示すように、マイクロ波発生部15は、マイクロ波パルスWPを周期的にチャンバ11へ出力する。すなわち、マイクロ波発生部15は、図2に示す断続的な期間T1において原料ガスGへのマイクロ波Wの照射を停止すると共に、図2に示す断続的な期間T2においてピーク強度Wのマイクロ波パルスWPを原料ガスGに照射する。 Further, the microwave generator 15 irradiates the source gas G with the microwave W while periodically changing the output intensity of the microwave W. Here, periodically changing the output intensity of the microwave W refers to an operation of intermittently stopping the irradiation of the microwave W or irradiating the pulsed microwave W intermittently, for example. FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a waveform of the microwave W output from the microwave generation unit 15. As shown in FIG. 2, the microwave generation unit 15 periodically outputs a microwave pulse WP to the chamber 11. That is, the microwave generation unit 15 stops the irradiation of the microwave W to the source gas G in the intermittent period T1 shown in FIG. 2, and the microwave having the peak intensity W 0 in the intermittent period T2 shown in FIG. The source gas G is irradiated with the wave pulse WP.

また、図3は、アモルファスカーボン膜のバンドギャップエネルギーEgとマイクロ波パルスWPのデューティ比d=T1/(T1+T2)との関係を概略的に示す図である。図3に示すように、或る大きさのデューティ比dまでは、デューティ比dが大きくなるほどアモルファスカーボン膜のバンドギャップエネルギーEgが小さくなる。そして、バンドギャップエネルギーEgはデューティ比dで最小値となり、デューティ比がdを超えると、デューティ比dが大きくなるほどバンドギャップエネルギーEgは大きくなる。マイクロ波発生部15は、所定のバンドギャップエネルギーを有するアモルファスカーボン膜を製造するため、この所定のバンドギャップエネルギーに対応するデューティ比でもって、マイクロ波パルスWPをチャンバ11へ出力する。様々なバンドギャップエネルギーをもつアモルファスカーボン膜を製造するため、マイクロ波発生部15は、マイクロ波パルスWPのデューティ比を可変にする手段を有することが好ましい。 FIG. 3 is a diagram schematically showing the relationship between the band gap energy Eg of the amorphous carbon film and the duty ratio d = T1 / (T1 + T2) of the microwave pulse WP. As shown in FIG. 3, one to the size of the duty ratio d 1 is the band gap energy Eg of the more amorphous carbon film duty ratio d becomes large decreases. Then, the band gap energy Eg becomes minimum at a duty ratio d 1, when the duty ratio exceeds d 1, the band gap energy Eg as the duty ratio d becomes larger increases. The microwave generator 15 outputs the microwave pulse WP to the chamber 11 with a duty ratio corresponding to the predetermined band gap energy in order to produce an amorphous carbon film having the predetermined band gap energy. In order to manufacture amorphous carbon films having various band gap energies, it is preferable that the microwave generator 15 has means for making the duty ratio of the microwave pulse WP variable.

ここで、マイクロ波発生部15の構成の一例を図4に示す。このマイクロ波発生部15は、マグネトロン装置21と、電源ユニット22と、オシレータ23と、モジュレータ24と、オシロスコープ25とを有する。マグネトロン装置21は、マイクロ波Wを発生してチャンバ11(図1参照)へ該マイクロ波Wを出力する装置である。電源ユニット22は、マイクロ波Wを発生させるための電力をマグネトロン装置21へ提供する。オシレータ23は、周期的なパルス信号P1を発生する。モジュレータ24は、オシレータ23からのパルス信号P1のデューティ比などを調整してパルス信号P2を出力する。オシロスコープ25は、モジュレータ24からのパルス信号P2の波形を表示すると共に、このパルス信号P2に対応する制御信号P3を電源ユニット22へ出力する。電源ユニット22は、オシロスコープ25からの制御信号P3に応じた電力をマグネトロン装置21へ提供する。なお、図中に示す線26は、オシロスコープ25とマグネトロン装置21とを結ぶ基準電位線である。また、図4に示す構成においては、モジュレータ24が、マイクロ波パルスWPのデューティ比を可変にする手段として機能する。   Here, an example of the configuration of the microwave generator 15 is shown in FIG. The microwave generation unit 15 includes a magnetron device 21, a power supply unit 22, an oscillator 23, a modulator 24, and an oscilloscope 25. The magnetron device 21 is a device that generates a microwave W and outputs the microwave W to the chamber 11 (see FIG. 1). The power supply unit 22 provides power for generating the microwave W to the magnetron device 21. The oscillator 23 generates a periodic pulse signal P1. The modulator 24 adjusts the duty ratio of the pulse signal P1 from the oscillator 23 and outputs the pulse signal P2. The oscilloscope 25 displays the waveform of the pulse signal P2 from the modulator 24 and outputs a control signal P3 corresponding to the pulse signal P2 to the power supply unit 22. The power supply unit 22 provides power to the magnetron device 21 in accordance with the control signal P3 from the oscilloscope 25. A line 26 shown in the figure is a reference potential line connecting the oscilloscope 25 and the magnetron device 21. In the configuration shown in FIG. 4, the modulator 24 functions as a means for changing the duty ratio of the microwave pulse WP.

再び図1を参照する。導波路14は、マイクロ波発生部15から出力されたマイクロ波Wを導波しつつ、チャンバ11の内部へ提供する。導波路14は、チャンバ11上に石英窓16を介して設けられている。導波路14におけるチャンバ11と対向する面にはスロットアンテナ17が設けられており、マイクロ波Wはこのスロットアンテナ17を介してチャンバ11内部の原料ガスGに照射される。なお、導波路14上には導波路14を冷却するための冷却ファン20が設置されている。   Refer to FIG. 1 again. The waveguide 14 guides the microwave W output from the microwave generator 15 and provides it to the interior of the chamber 11. The waveguide 14 is provided on the chamber 11 via a quartz window 16. A slot antenna 17 is provided on the surface of the waveguide 14 facing the chamber 11, and the microwave W is irradiated to the source gas G inside the chamber 11 through the slot antenna 17. A cooling fan 20 for cooling the waveguide 14 is installed on the waveguide 14.

原料ガス源12は、アモルファスカーボン膜を成長するための原料ガスGをチャンバ11に供給する。原料ガス源12は、炭素原料ガス源としてメタン(CH)源、エチレン(C)源、およびアセチレン(C)源のうち少なくとも一つを含んで構成される。また、原料ガス源12は、アモルファスカーボン膜に添加される不純物原子(ドーパント)を供給するためのドーパントガス源として、例えば窒素(N)源を含んで構成される。また、原料ガス源12は、キャリアガスを供給するためのキャリアガス源として、アルゴン(Ar)源などの不活性ガス源を含んで構成される。これらのガス源は、それぞれガス流量を調整する図示しないマスフローコントローラ(MFC:Mass Flow Controler)を介してチャンバ11に接続されており、各原料ガスはマスフローコントローラを経由した後に混合されて原料ガスGとしてチャンバ11に供給される。 The source gas source 12 supplies a source gas G for growing an amorphous carbon film to the chamber 11. The source gas source 12 includes at least one of a methane (CH 4 ) source, an ethylene (C 2 H 4 ) source, and an acetylene (C 2 H 2 ) source as a carbon source gas source. The source gas source 12 includes, for example, a nitrogen (N 2 ) source as a dopant gas source for supplying impurity atoms (dopants) added to the amorphous carbon film. The source gas source 12 includes an inert gas source such as an argon (Ar) source as a carrier gas source for supplying a carrier gas. These gas sources are connected to the chamber 11 via a mass flow controller (MFC: Mass Flow Controller) (not shown) for adjusting the gas flow rate, and the raw material gases are mixed after passing through the mass flow controller to be the raw material gas G. Is supplied to the chamber 11.

以上に示した構成を備えるマイクロ波プラズマCVD装置10により、アモルファスカーボン膜を製造する方法について説明する。まず、チャンバ11の基材ステージ18に基材Bを設置したのち、チャンバ11の内部を減圧する。そして、原料ガス源12より、メタン、エチレン、アセチレンなどの炭素原料ガスと、窒素などのドーパントガスと、アルゴンなどのキャリアガスとを含む原料ガスGをチャンバ11内に供給しつつ、マイクロ波発生部15からマイクロ波Wを出力し、このマイクロ波Wをチャンバ11内の原料ガスGに照射する。このとき、マイクロ波Wの出力強度を周期的に変化させつつ、例えば図2に示した波形でマイクロ波Wを原料ガスGに照射する。また、このとき、所定のバンドギャップエネルギーを有するアモルファスカーボン膜を製造するため、例えば図3に示した関係に基づき、この所定のバンドギャップエネルギーに対応するデューティ比でもって、マイクロ波パルスWPを断続的に原料ガスGに照射する。   A method for producing an amorphous carbon film using the microwave plasma CVD apparatus 10 having the above-described configuration will be described. First, after the base material B is installed on the base material stage 18 of the chamber 11, the inside of the chamber 11 is decompressed. Then, a source gas G containing a carbon source gas such as methane, ethylene, acetylene, a dopant gas such as nitrogen, and a carrier gas such as argon is supplied from the source gas source 12 into the chamber 11 while generating microwaves. The microwave W is output from the unit 15, and the source gas G in the chamber 11 is irradiated with the microwave W. At this time, for example, the source gas G is irradiated with the microwave W with the waveform shown in FIG. 2 while periodically changing the output intensity of the microwave W. At this time, in order to produce an amorphous carbon film having a predetermined band gap energy, the microwave pulse WP is intermittently generated with a duty ratio corresponding to the predetermined band gap energy based on the relationship shown in FIG. The raw material gas G is irradiated.

チャンバ11の内部では、マイクロ波発生部15から導波路14を介して照射されたマイクロ波Wによって表面波プラズマPが発生する。これにより、原料ガスGは炭素を含むラジカルに変化し、基材Bの表面へ移動し、堆積する。このようにして、基材B上には、所定のバンドギャップエネルギーを有するアモルファスカーボン膜が成長する。   Inside the chamber 11, surface wave plasma P is generated by the microwave W irradiated from the microwave generator 15 via the waveguide 14. As a result, the source gas G changes to radicals containing carbon, moves to the surface of the base material B, and is deposited. In this way, an amorphous carbon film having a predetermined band gap energy grows on the base material B.

以下、本実施形態に係るアモルファスカーボン膜の製造方法および製造装置による作用効果について説明する。マイクロ波プラズマCVD法を用いたアモルファスカーボン膜の製造において、本発明者は、次の事柄を見出した。すなわち、既に述べたように、マイクロ波Wの出力強度を周期的に変化させつつマイクロ波Wを原料ガスGに照射することによって、アモルファスカーボン膜のバンドギャップエネルギーを任意の値に制御できる。より具体的には、マイクロ波パルスWPを、所定のバンドギャップエネルギーに対応するデューティ比で原料ガスGに断続的に照射することによって、所定のバンドギャップエネルギーを有するアモルファスカーボン膜が得られる。   Hereinafter, the effect by the manufacturing method and manufacturing apparatus of an amorphous carbon film concerning this embodiment is explained. In manufacturing an amorphous carbon film using a microwave plasma CVD method, the present inventor has found the following matters. That is, as already described, the band gap energy of the amorphous carbon film can be controlled to an arbitrary value by irradiating the source gas G with the microwave W while periodically changing the output intensity of the microwave W. More specifically, an amorphous carbon film having a predetermined band gap energy is obtained by intermittently irradiating the source gas G with the microwave pulse WP at a duty ratio corresponding to the predetermined band gap energy.

ここで、アモルファスカーボン膜の製造に関する実施例について説明する。本実施例では、図1および図2に示したマイクロ波プラズマCVD装置10を用い、マイクロ波パルスWPのデューティ比を変化させてアモルファスカーボン膜のバンドギャップエネルギーの変化を調べた。なお、本実施例においては、マイクロ波Wの周波数を2.45[GHz]とした。また、炭素原料ガスとしてアセチレン(流量:1分あたり20[ml])を、ドーパントガスとして窒素(流量:1分あたり5[ml])を、キャリアガスとしてアルゴン(流量:1分あたり200[ml])を、それぞれチャンバ11に供給した。また、原料ガス導入時のチャンバ11内部の圧力を100[Pa]とし、マイクロ波パルスWPの周波数を500[Hz]とした。基材Bとしては石英基板およびSi基板を使用し、基板の加熱は行っていない。   Here, the Example regarding manufacture of an amorphous carbon film is described. In this example, the microwave plasma CVD apparatus 10 shown in FIGS. 1 and 2 was used, and the change in the band gap energy of the amorphous carbon film was examined by changing the duty ratio of the microwave pulse WP. In the present embodiment, the frequency of the microwave W is 2.45 [GHz]. Also, acetylene (flow rate: 20 [ml] per minute) as the carbon source gas, nitrogen (flow rate: 5 [ml] per minute) as the dopant gas, and argon (flow rate: 200 [ml per minute: carrier gas) ]) Were supplied to the chambers 11 respectively. In addition, the pressure inside the chamber 11 when the source gas was introduced was set to 100 [Pa], and the frequency of the microwave pulse WP was set to 500 [Hz]. A quartz substrate and a Si substrate are used as the base material B, and the substrate is not heated.

次の表1は、本実施例において実施したマイクロ波パルスWPのデューティ比と、各デューティ比でのマイクロ波のパワーを示す表である。

Figure 0005120924

また、図5に示すグラフGAは、本実施例において原料ガスGに照射したマイクロ波Wの波形を示しており、グラフGBは、グラフGAに示した波形のマイクロ波Wを発生させる際に電源ユニット22(図4参照)から出力された電力波形を示している。 The following Table 1 is a table showing the duty ratio of the microwave pulse WP implemented in the present embodiment and the microwave power at each duty ratio.
Figure 0005120924

A graph GA shown in FIG. 5 shows a waveform of the microwave W irradiated to the source gas G in the present embodiment, and a graph GB shows a power source when the microwave W having the waveform shown in the graph GA is generated. The electric power waveform output from the unit 22 (refer FIG. 4) is shown.

図6は、本実施例における結果として、マイクロ波パルスWPのデューティ比と、アモルファスカーボン膜のバンドギャップエネルギーとの相関を示すグラフである。また、図7は、作成した各デューティ比のアモルファスカーボン膜それぞれの膜厚を示すグラフである。なお、図6および図7における各プロットの数値は、次の表2のとおりである。

Figure 0005120924
FIG. 6 is a graph showing the correlation between the duty ratio of the microwave pulse WP and the band gap energy of the amorphous carbon film as a result of this example. FIG. 7 is a graph showing the film thickness of each of the prepared amorphous carbon films having respective duty ratios. The numerical values of the plots in FIGS. 6 and 7 are as shown in Table 2 below.
Figure 0005120924

図6および表2を参照すると、マイクロ波パルスWPのデューティ比が20%以上70%以下の範囲では、マイクロ波パルスWPのデューティ比が大きくなるほど、バンドギャップエネルギーが0.8[eV]から2.6[eV]の範囲で単調に小さくなっていることがわかる。逆に、マイクロ波パルスWPのデューティ比が70%以上100%以下の範囲では、マイクロ波パルスWPのデューティ比が大きくなるほど、バンドギャップエネルギーが単調に大きくなっていることがわかる。   Referring to FIG. 6 and Table 2, when the duty ratio of the microwave pulse WP is in the range of 20% to 70%, the band gap energy is increased from 0.8 [eV] to 2 as the duty ratio of the microwave pulse WP increases. It can be seen that it decreases monotonically in the range of .6 [eV]. On the contrary, in the range where the duty ratio of the microwave pulse WP is 70% or more and 100% or less, the band gap energy increases monotonously as the duty ratio of the microwave pulse WP increases.

すなわち、マイクロ波Wの出力強度を周期的に変化させ、且つそのデューティ比を所望のバンドギャップエネルギーに応じて決定すれば、そのバンドギャップエネルギーを有するアモルファスカーボン膜を容易に得ることが可能となる。したがって、本実施形態のアモルファスカーボン膜の製造方法および製造装置によれば、所望のバンドギャップエネルギーを容易に実現できる。   That is, if the output intensity of the microwave W is periodically changed and the duty ratio is determined according to the desired band gap energy, an amorphous carbon film having the band gap energy can be easily obtained. . Therefore, according to the amorphous carbon film manufacturing method and manufacturing apparatus of the present embodiment, a desired band gap energy can be easily realized.

なお、マイクロ波Wのデューティ比の変化に応じてアモルファスカーボン膜のバンドギャップエネルギーが変化するのは、次の理由によるものと推測される。つまり、マイクロ波Wをパルス化することによって、一時的に大きなエネルギーを原料ガスGに与えることができるので、生成されるプラズマPがより高いエネルギー状態(電子温度が高く、電離度が大きい)となる。一方、パルスとパルスとの間(オフ時)には、プラズマ状態が一様ではなくなり、連続発振では実現しないアフターグロー放電状態となる。したがって、マイクロ波Wのオン/オフ時間比(デューティ比)を変えると、バンドギャップエネルギーが異なるアモルファスカーボン膜が成長することとなる。   In addition, it is estimated that the band gap energy of an amorphous carbon film changes according to the change of the duty ratio of the microwave W for the following reason. That is, by pulsing the microwave W, a large amount of energy can be temporarily given to the source gas G, so that the generated plasma P has a higher energy state (high electron temperature and high ionization degree). Become. On the other hand, between the pulses (when off), the plasma state is not uniform, and an afterglow discharge state that cannot be realized by continuous oscillation occurs. Therefore, when the on / off time ratio (duty ratio) of the microwave W is changed, amorphous carbon films having different band gap energies grow.

また、本実施形態により製造されるアモルファスカーボン膜は、例えば太陽電池や受光素子などの用途に特に好適である。例えば、タンデム型と呼ばれる太陽電池は、バンドギャップが異なる複数種類のpn接合層が光学的に直列に接続されて構成されるが、これらの層をアモルファスカーボンとして本実施形態の方法により形成すれば、各層のバンドギャップを容易に異ならせることができる。   In addition, the amorphous carbon film produced according to the present embodiment is particularly suitable for applications such as solar cells and light receiving elements. For example, a solar cell called a tandem type is configured by optically connecting a plurality of types of pn junction layers having different band gaps. If these layers are formed as amorphous carbon by the method of this embodiment, The band gap of each layer can be easily varied.

本発明によるアモルファスカーボン膜の製造方法および製造装置は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では一定波形のマイクロ波パルスを原料ガスに照射しているが、パルス波形は一定でなくてもよく、断続的な休止時間をおいて異なる波形が並んでもよい。また、パルスとパルスの間はマイクロ波出力を休止しなくてもよく、オン時およびオフ時のマイクロ波出力強度(>0)をそれぞれ設定してもよい。   The method and apparatus for producing an amorphous carbon film according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various other modifications are possible. For example, in the above embodiment, the source gas is irradiated with a microwave pulse having a constant waveform, but the pulse waveform may not be constant, and different waveforms may be arranged with intermittent pauses. Further, it is not necessary to pause the microwave output between pulses, and the microwave output intensity (> 0) at the time of ON and OFF may be set respectively.

また、上記実施形態における実施例では、図6に示すようにデューティ比が70%のときにバンドギャップエネルギーが最小となっているが、バンドギャップエネルギーが最小となるデューティ比は成膜条件等によって変動すると考えられる。   In the example in the above embodiment, as shown in FIG. 6, the band gap energy is minimum when the duty ratio is 70%. However, the duty ratio at which the band gap energy is minimum depends on the film forming conditions and the like. It is thought to fluctuate.

本発明によるアモルファスカーボン膜の製造装置の一実施形態として、マイクロ波プラズマCVD装置の構成を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the structure of a microwave plasma CVD apparatus as one Embodiment of the manufacturing apparatus of the amorphous carbon film by this invention. マイクロ波発生部から出力されるマイクロ波の波形の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the waveform of the microwave output from a microwave generation part. アモルファスカーボン膜のバンドギャップエネルギーとマイクロ波パルスのデューティ比との関係を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the relationship between the band gap energy of an amorphous carbon film, and the duty ratio of a microwave pulse. マイクロ波発生部の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of a microwave generation part. グラフGAは、実施例において原料ガスに照射したマイクロ波の波形を示しており、グラフGBは、グラフGAに示した波形のマイクロ波を発生させる際に電源ユニットから出力された電力波形を示している。Graph GA shows the waveform of the microwave irradiated to the source gas in the example, and graph GB shows the power waveform output from the power supply unit when generating the microwave of the waveform shown in graph GA. Yes. 実施例における結果として、マイクロ波パルスのデューティ比と、アモルファスカーボン膜のバンドギャップエネルギーとの相関を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation with the duty ratio of a microwave pulse, and the band gap energy of an amorphous carbon film as a result in an Example. 実施例にて作成した各デューティ比のアモルファスカーボン膜それぞれの膜厚を示すグラフである。It is a graph which shows the film thickness of each amorphous carbon film of each duty ratio created in the example.

符号の説明Explanation of symbols

10…マイクロ波プラズマCVD装置、11…チャンバ、12…原料ガス源、13…排気手段、14…導波路、15…マイクロ波発生部、16…石英窓、17…スロットアンテナ、18…基材ステージ、19…排出口、20…冷却ファン、21…マグネトロン装置、22…電源ユニット、23…オシレータ、24…モジュレータ、25…オシロスコープ、B…基材、G…原料ガス、P…表面波プラズマ、W…マイクロ波。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Microwave plasma CVD apparatus, 11 ... Chamber, 12 ... Source gas source, 13 ... Exhaust means, 14 ... Waveguide, 15 ... Microwave generator, 16 ... Quartz window, 17 ... Slot antenna, 18 ... Base material stage , 19 ... discharge port, 20 ... cooling fan, 21 ... magnetron device, 22 ... power supply unit, 23 ... oscillator, 24 ... modulator, 25 ... oscilloscope, B ... base material, G ... source gas, P ... surface wave plasma, W ... microwave.

Claims (1)

所定のバンドギャップエネルギーを有する半導体膜としてのアモルファスカーボン膜を製造するための方法であって、
前記アモルファスカーボン膜を成長させるための原料ガスに、パルス状のマイクロ波を前記所定のバンドギャップエネルギーに対応するデューティ比で断続的に照射して該原料ガスのプラズマを生成し、基材上に前記アモルファスカーボン膜を形成することを特徴とする、アモルファスカーボン膜の製造方法。
A method for producing an amorphous carbon film as a semiconductor film having a predetermined band gap energy,
The source gas for growing the amorphous carbon film is intermittently irradiated with pulsed microwaves at a duty ratio corresponding to the predetermined band gap energy to generate plasma of the source gas, and on the substrate A method for producing an amorphous carbon film, comprising forming the amorphous carbon film.
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