JPH01298094A - Production of diamondlike carbon film - Google Patents

Production of diamondlike carbon film

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JPH01298094A
JPH01298094A JP63128453A JP12845388A JPH01298094A JP H01298094 A JPH01298094 A JP H01298094A JP 63128453 A JP63128453 A JP 63128453A JP 12845388 A JP12845388 A JP 12845388A JP H01298094 A JPH01298094 A JP H01298094A
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JP
Japan
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substrate
carbon film
film
diamond
ion beam
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Pending
Application number
JP63128453A
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Japanese (ja)
Inventor
Keiji Hirabayashi
敬二 平林
Yasushi Taniguchi
靖 谷口
Susumu Ito
進 伊藤
Noriko Kurihara
栗原 紀子
Keiko Ikoma
生駒 圭子
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Publication of JPH01298094A publication Critical patent/JPH01298094A/en
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Abstract

PURPOSE:To form a carbon film sufficiently provided with practicability as a diamond at low temp. by exciting gas contg. carbon with high-frequency plasma under the irradiation of ion beams generated from gaseous hydrogen or rare gas and forming the diamondlike carbon film on a substrate. CONSTITUTION:A diamondlike carbon film is formed on a substrate 5 under the irradiation of ion beams (a generator 2 and an ion-source gas introduction port 3) by exciting gas 4 contg. carbon with high-frequency plasma (a high frequency generation source 7). In the above-mentioned stage, the acceleration voltage of the irradiating ion beams is regulated to 100-5000V and the ion beams formed from one or more kinds of gases selected from hydrogen and rare gas (He, Ar and Ne, etc.), are utilized as the above-mentioned ion beams. The substrate 5 may be heated in accordance with necessity but the excellent diamondlike carbon film can be obtained without heating the substrate.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ダイヤモンド状炭素膜の製造方法に関する。[Detailed description of the invention] [Industrial application field] The present invention relates to a method for manufacturing a diamond-like carbon film.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

ダイヤそンドは物質中一番の硬度と熱伝導率をもつ物質
であり、その薄膜の応用が幅広く検討されている。
Diamond has the highest hardness and thermal conductivity of all materials, and its thin film applications are being widely studied.

ダイヤモンド状炭素膜の製造方法としては、特開昭58
−91100号公報に記載の水素と炭化水素の混合ガス
を熱フィラメントにより分解して、800℃前後に加熱
した基板上にダイヤモンド結晶を得る熱フイラメントC
VD法、特公°昭61−3320号公報に記載の熱フィ
ラメントの代りにマイクロ波プラズマを用いるマイクロ
波プラズマCVD法などのCVD法による製造方法が知
られている。
A method for manufacturing a diamond-like carbon film is disclosed in JP-A-58
Thermal filament C described in Publication No. 91100, in which a mixed gas of hydrogen and hydrocarbons is decomposed by a hot filament to obtain diamond crystals on a substrate heated to around 800°C.
Manufacturing methods using CVD methods are known, such as the VD method and the microwave plasma CVD method using microwave plasma instead of a hot filament described in Japanese Patent Publication No. 61-3320.

また、宅の他の方法として、イオンビーム蒸着法(特開
昭53−106391号公報、特開昭59−17450
71号公報)があり、これらの方法は、原料ガスや原子
をイオン化し、電界により引き出して、基体上に膜を形
成する方法であり、アモルファスの炭素及び粒径が数十
〜数百人のダイヤモンド微結晶を含む膜などを生成物と
して得ることができる。
In addition, as another method, ion beam evaporation method (JP-A-53-106391, JP-A-59-17450)
These methods involve forming a film on a substrate by ionizing raw material gas or atoms and drawing them out using an electric field. A film containing diamond microcrystals can be obtained as a product.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

しかし、上記の熱フイラメントCVD法及びマイクロ波
プラズマCVD法等の従来の方法で形成された膜は、1
〜10μmの粒径の結晶の集合体が膜中に含まれるため
に、その表面の凹凸が激し。
However, films formed by conventional methods such as the above-mentioned thermal filament CVD method and microwave plasma CVD method are
Since the film contains aggregates of crystals with a grain size of ~10 μm, its surface is extremely uneven.

い。また、成膜に基体温度を800℃@後に加熱してお
くことが必要とされ、応用上大きな欠点となっている。
stomach. Furthermore, it is necessary to heat the substrate to 800° C. for film formation, which is a major drawback in terms of application.

更に、上述のイオンビーム蒸着法では、膜表面が平坦で
、低温での合成が可能であるが、形成された膜の可視光
に対する透明度、硬度、絶縁性などがダイヤモンドに比
べてはるかに劣っており、実用化がほとんどなされてい
ない。
Furthermore, although the ion beam evaporation method described above has a flat film surface and can be synthesized at low temperatures, the formed film is far inferior to diamond in its transparency to visible light, hardness, insulation, etc. However, it has hardly been put into practical use.

本発明の目的は、低温での成膜が可能であり、ダイヤモ
ンドとしての実用性を十分に備えたダイヤモンド状炭素
膜を形成できる方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a method for forming a diamond-like carbon film that can be formed at low temperatures and has sufficient practicality as diamond.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明の方法においては、イオンビームを基体に照射し
つつ基体上にダイヤモンド状炭素膜が成膜される。
In the method of the present invention, a diamond-like carbon film is formed on a substrate while irradiating the substrate with an ion beam.

本発明の方法によれば、高い基体温度を必要とせずに、
ダイヤモンド類似の性質をもった表面凹凸のないダイヤ
モンド状炭素膜を得ることができる。
According to the method of the present invention, without requiring high substrate temperature,
A diamond-like carbon film with diamond-like properties and no surface irregularities can be obtained.

ここで言う、ダイヤモンド状炭素膜とは、硬度かビッカ
ーズ硬度で  〜2000にg/mm2程度の硬度を持
ち、絶縁性も1010Ωcm程度といった高い値を持つ
ダイヤモンド類似の性質をもった膜である。
The diamond-like carbon film referred to here is a film having properties similar to diamond, having a hardness of ~2000 g/mm2 on the Vickers scale, and high insulation properties of around 1010 Ωcm.

すなわち、従来の炭化水素ガスを、高周波プラズマによ
って分解して、基体上に炭素膜を析出させる高周波プラ
ズマCVD法では、基板温度を低温にすると、水素の混
入が多く、硬度の低い膜しか得られなかった。
In other words, in the conventional high-frequency plasma CVD method in which hydrocarbon gas is decomposed by high-frequency plasma to deposit a carbon film on a substrate, when the substrate temperature is lowered, a large amount of hydrogen is mixed in and only a film with low hardness can be obtained. There wasn't.

これに対し、本発明の方法では、基体にイオンビームが
照射されることにより、成膜される膜中に含まわる水素
等の不純物が効果的に除去され、さらに成膜された膜の
結晶化の程度が十分に高められ、しかも結合状態の弱い
アモルファスやグラファイト相も膜中から効果的に除去
される。
In contrast, in the method of the present invention, by irradiating the substrate with an ion beam, impurities such as hydrogen contained in the deposited film are effectively removed, and the deposited film is further crystallized. The degree of oxidation is sufficiently increased, and even weakly bound amorphous and graphite phases are effectively removed from the film.

以下、図面を参照しつつ本発明の方法を更に詳細に説明
する。
Hereinafter, the method of the present invention will be explained in more detail with reference to the drawings.

第1図は本発明の方法に用いることのできるダイヤモン
ド状炭素膜製造装置の一例である。
FIG. 1 shows an example of a diamond-like carbon film manufacturing apparatus that can be used in the method of the present invention.

この装置は、基本的に真空チャンバー1、及びイオンビ
ーム発生装置2とから構成される。
This apparatus basically consists of a vacuum chamber 1 and an ion beam generator 2.

真空チャンバー1には、炭素含有ガス導入口4、ガス排
気口10及び基体5がセットされる基体ホルダー6が設
けられている。基体ホルダー6には高周波発生源7が接
続されており、更に冷却水9により冷却できるようにな
っている。
The vacuum chamber 1 is provided with a carbon-containing gas inlet 4, a gas exhaust port 10, and a substrate holder 6 in which a substrate 5 is set. A high frequency generation source 7 is connected to the substrate holder 6, and the substrate holder 6 can be further cooled with cooling water 9.

イオンビーム発生装置2は、イオン源ガス導入口3から
導入したガスから得たイオンのビームを発生するもので
あり、この装置ではカウフマン型イオンビーム発生装置
が用いられている。なお、イオンビーム発生装置として
は、カウフマン型に限定されるものではない。
The ion beam generator 2 generates a beam of ions obtained from the gas introduced from the ion source gas inlet 3, and a Kauffman type ion beam generator is used in this apparatus. Note that the ion beam generator is not limited to the Kauffman type.

この装置によってダイヤモンド状炭素膜を製造するには
、まず、ガス排気口10から不図示の排気系で真空チャ
ンバー1内をlXl0−6Torr程度の真空度まで排
気する。
In order to manufacture a diamond-like carbon film using this apparatus, first, the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated to a degree of vacuum of about 1X10-6 Torr using an exhaust system (not shown) through the gas exhaust port 10.

次に、イオン源ガス導入口3に水素ガス等のイオンビー
ム形成用のガスを導入し、イオンビーム発生装置2でイ
オンビームを発生させて、基体5に照射できるようにす
る。
Next, a gas for forming an ion beam, such as hydrogen gas, is introduced into the ion source gas inlet 3, and the ion beam generator 2 generates an ion beam so that the substrate 5 can be irradiated with the ion beam.

この状態で、炭素含有ガス導入口4からダイヤモンド状
炭素膜の原料ガス(炭素含仔ガス)を導入するとともに
、高周波発生源7に通電して高周波を発生させる。
In this state, the raw material gas (carbon-containing gas) for the diamond-like carbon film is introduced from the carbon-containing gas inlet 4, and the high-frequency generation source 7 is energized to generate high-frequency waves.

ここで、真空チャンバー1内を、成膜に必要な真空度に
制御し、基体5にイオンビームを照射させつつダイヤモ
ンド状炭素膜を基体5上に成膜することができる。
Here, the inside of the vacuum chamber 1 is controlled to the degree of vacuum necessary for film formation, and the diamond-like carbon film can be formed on the substrate 5 while irradiating the substrate 5 with the ion beam.

成膜時の真空チャンバー1内の圧力は、イオンビームが
十分基体に照射できる圧力でなくてはならず、例えば1
0−’ 〜10−2To r r程度が望ましい。
The pressure inside the vacuum chamber 1 during film formation must be such that the ion beam can sufficiently irradiate the substrate.
Desirably, it is about 0-' to 10-2 Torr.

なお、このような低い圧力では一般に高周波プラズマは
発生しにくいが、本発明においてはイオンビームを照射
することにより安定な高周波プラズマが得られ、かつ不
純物の混入が少なく、密着力のよい膜を得ることができ
る。
Note that high-frequency plasma is generally difficult to generate at such a low pressure, but in the present invention, by irradiating with an ion beam, stable high-frequency plasma can be obtained, and a film with good adhesion can be obtained with less contamination of impurities. be able to.

なお、基体5は、必要に応じて加熱しても良いが、本発
明の方法では、基体の加熱がなくても良好なダイヤモン
ド状炭素膜の成膜が可能である。
Although the substrate 5 may be heated if necessary, in the method of the present invention, a good diamond-like carbon film can be formed without heating the substrate.

本発明の方法で用いるイオンビームとしては、上記のよ
うな効果が得られるものであれば、どのようなものでも
利用できるが、特に、膜中不純物の除去及び結晶化の促
進という点からは水素イオンや希ガス(He、Ar、N
e等)イオンを含むビームが好適である。
As the ion beam used in the method of the present invention, any beam can be used as long as the above-mentioned effects can be obtained, but hydrogen is particularly suitable for removing impurities in the film and promoting crystallization. Ions and rare gases (He, Ar, N
A beam containing ions (e.g.) is suitable.

なお、イオンビームの加速電圧は、1oov〜5000
Vであることが望ましく、さらに望ましくは20oV〜
1000Vである。
Note that the acceleration voltage of the ion beam is 1oov to 5000
V, more preferably 20oV~
It is 1000V.

すなわち、加速電圧が5000V以上だと、加速イオン
による成膜されつつある炭素膜のエツチングが顕著とな
り、実用上必要な成膜速度が得られない。しかも、エツ
チングによる膜の劣化が起り易い。
That is, if the accelerating voltage is 5000 V or more, the carbon film being formed will be etched significantly by accelerated ions, and a practically necessary film forming rate cannot be obtained. Moreover, the film is likely to deteriorate due to etching.

更に、100V以下だと、イオンビーム電流が十分とれ
ず実用上必要な成膜速度が得られない上に、加速イオン
のエネルギーも低くなるために得られた膜における結晶
性の低下、アモルファス相や二重結合を含んだ炭素等の
除去が不十分となる。
Furthermore, if it is less than 100V, the ion beam current will not be sufficient and the film formation rate required for practical use will not be obtained, and the energy of accelerated ions will also be low, resulting in decreased crystallinity, amorphous phase, etc. Removal of carbon, etc. containing double bonds becomes insufficient.

また、高周波発生源7からの高周波の周波数及び出力は
、炭素含有ガスの分解に必要な高周波が得られるような
範囲内から適宜選択され、例えば13.56MHz、3
00W程度とすれば良い。
Further, the frequency and output of the high frequency from the high frequency generation source 7 are appropriately selected from within a range that provides the high frequency necessary for decomposing the carbon-containing gas, for example, 13.56 MHz, 3.
It may be set to about 00W.

炭素含有ガスとしては、メタン、エタン等の炭化水素ガ
ス、CCl1a、 (:HCft8等のハロゲン化炭素
やハロゲン化炭化水素等を用いることができる。
As the carbon-containing gas, hydrocarbon gases such as methane and ethane, and halogenated carbons and halogenated hydrocarbons such as CCl1a and (:HCft8) can be used.

〔実施例〕〔Example〕

以下に実施例によって、本発明を具体的に説明する。 The present invention will be specifically explained below using Examples.

実施例1 第1図に示した装置の基体ホルダー6に基体5としての
石英板を設置し、以下のようにしてダイヤモンド状炭素
膜の成膜を行なった。
Example 1 A quartz plate as the substrate 5 was placed in the substrate holder 6 of the apparatus shown in FIG. 1, and a diamond-like carbon film was formed as follows.

まず、ガス排気口lOから不図示の排気系で真空チャン
バー1内をI X 10−6To r r程度の真空度
まで排気した。
First, the inside of the vacuum chamber 1 was evacuated to a degree of vacuum of about I x 10-6 Torr using an evacuation system (not shown) through the gas exhaust port IO.

次に、イオン源ガス導入口3から水素ガスを205CC
Mでカウフマン型イオンビーム発生装置2内に導入し、
加速電圧500v、ビーム電流0.5111A/C[l
+2で、水素イオンビームを発生させた。
Next, 205 CC of hydrogen gas is supplied from the ion source gas inlet 3.
Introduce it into the Kauffman type ion beam generator 2 with M,
Acceleration voltage 500v, beam current 0.5111A/C [l
At +2, a hydrogen ion beam was generated.

更に、炭素含有ガス導入口4から0114ガスを205
CCMで導入するとともに、高周波発生源7に通電して
高周波(13,56MHz、300W)を発生させた。
Furthermore, the 0114 gas is introduced from the carbon-containing gas inlet 4 into the 205
At the same time, the high frequency generation source 7 was energized to generate high frequency (13.56 MHz, 300 W).

この状態で、真空チャンバー1内を、2 X 10−’
Torrの真空度に制御し、石英基板にイオンビームを
照射させつつ石英基板上に成膜を行なった。
In this state, the inside of the vacuum chamber 1 is 2 x 10-'
A film was formed on the quartz substrate while controlling the degree of vacuum to Torr and irradiating the quartz substrate with an ion beam.

なお、石英基板は不図示のヒーターで250℃に加熱し
た。
Note that the quartz substrate was heated to 250° C. with a heater (not shown).

石英基板上に得られた膜(膜厚3μm)は、X線回折に
より、ダイヤモンド結晶を含む炭素膜であることが判明
した。また、該膜を走査型電子顕微鏡で観察したところ
、表面にほとんど凹凸の認められない平滑な膜であった
The film (thickness: 3 μm) obtained on the quartz substrate was found to be a carbon film containing diamond crystals by X-ray diffraction. Further, when the film was observed with a scanning electron microscope, it was found to be a smooth film with almost no irregularities observed on the surface.

得られた膜の電気伝導度はlXl0−”Ω−1c m 
−+て非常に絶縁性が高かった。又、成膜速度は3μm
/hてあった。
The electrical conductivity of the obtained membrane is lXl0−”Ω−1cm
-+ It had very high insulation properties. Also, the film formation speed is 3 μm.
/h was there.

実施例2〜5 イオン源をHeガスとし、第1表に示す操作条件をそれ
ぞれ個々に用いる以外は実施例1と同様にして成膜を行
なった。
Examples 2 to 5 Films were formed in the same manner as in Example 1, except that He gas was used as the ion source and the operating conditions shown in Table 1 were individually used.

第1表 各操作条件において待られた炭素膜の分析結果を第2表
に示す。
Table 1 Table 2 shows the analysis results of the carbon film under each operating condition.

第2表 実施例6〜8.比較例1〜2 第3表に示すように操作条件をそれぞれ個々に変更する
以外は実施例1と同様にして成膜を行なった。得られた
炭素膜の分析結果を第4表に示す。
Table 2 Examples 6-8. Comparative Examples 1 and 2 Films were formed in the same manner as in Example 1, except that the operating conditions were changed individually as shown in Table 3. Table 4 shows the analysis results of the obtained carbon film.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明の方法によれば、高周波プラズマを用いた成It
s!にイオンビームを併用したので、高い結晶性及び絶
縁性を有し、平坦性のよい実用性のあるダイヤモンド状
炭素膜を低温で製造可能となった。
According to the method of the present invention, it is possible to produce It using high frequency plasma.
s! By using an ion beam in combination with this method, a practical diamond-like carbon film with high crystallinity, insulating properties, and good flatness can be produced at low temperatures.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明に用いることのできるダイヤモンド状炭
素膜の製造装置の一例の概略図である。 1・・・・・・真空チャンバー、 2・・・・・・イオンビーム発生装置、3・・・・・・
イオンビーム源ガス導入口、4−−−−−−炭素含有ガ
ス導入口、 5・・・・・・基体、 6・・・・・・基体ホルダー、 7・・・・・・高周波発生電源、 8・・・・・・イオンビーム、 9・・・・・・基体ホルダー冷却水、 10・・・ガス排気口、 11・・・絶縁ガイシ。
FIG. 1 is a schematic diagram of an example of a diamond-like carbon film manufacturing apparatus that can be used in the present invention. 1... Vacuum chamber, 2... Ion beam generator, 3...
Ion beam source gas inlet, 4---carbon-containing gas inlet, 5...substrate, 6...substrate holder, 7...high frequency generation power source, 8...Ion beam, 9...Substrate holder cooling water, 10...Gas exhaust port, 11...Insulating insulator.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1)炭素含有ガスを高周波プラズマで励起し、イオンビ
ームの照射下で、基体上にダイヤモンド状炭素膜を成膜
する過程を含み、該過程における照射イオンビームの加
速電圧が100Vから5000Vであり、さらに、前記
イオンビームが水素イオン及び希ガスイオンから選択さ
れた1種以上のイオンを含むことを特徴とするダイヤモ
ンド状炭素膜の製造方法。
1) It includes a process of exciting a carbon-containing gas with high-frequency plasma and forming a diamond-like carbon film on a substrate under ion beam irradiation, and the acceleration voltage of the irradiation ion beam in this process is 100V to 5000V, Furthermore, the method for producing a diamond-like carbon film, wherein the ion beam contains one or more types of ions selected from hydrogen ions and rare gas ions.
JP63128453A 1988-05-27 1988-05-27 Production of diamondlike carbon film Pending JPH01298094A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10259481A (en) * 1997-03-19 1998-09-29 Sanyo Electric Co Ltd Formation of amorphous carbon coating

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10259481A (en) * 1997-03-19 1998-09-29 Sanyo Electric Co Ltd Formation of amorphous carbon coating

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