JPH02221372A - 硬質カーボン膜の形成方法 - Google Patents

硬質カーボン膜の形成方法

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JPH02221372A
JPH02221372A JP1040546A JP4054689A JPH02221372A JP H02221372 A JPH02221372 A JP H02221372A JP 1040546 A JP1040546 A JP 1040546A JP 4054689 A JP4054689 A JP 4054689A JP H02221372 A JPH02221372 A JP H02221372A
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JP
Japan
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plasma
carbon film
hard carbon
vacuum chamber
sample
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Pending
Application number
JP1040546A
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English (en)
Inventor
Nobuyuki Yoshino
吉野 信幸
Takanori Minamitani
南谷 孝典
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Citizen Watch Co Ltd
Original Assignee
Citizen Watch Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は気相合成法によるカーボン膜の形成方法に関す
る。
〔従来の技術〕
硬質カーボン膜は1970年代後半から英国で研究され
はじめたi−カーボンと俗称される超硬質炭素膜であり
、炭素原子の結合状態に長周期の結晶性が見られず、ア
モルファスシリコンと類(Uの結合状態を有するものと
考えられている。また、その物性にはダイヤモンドのそ
れと類似点が多(、その特性(高硬度、耐摩耗性、潤滑
性、絶縁性、耐薬品性)から工具をはじめとし各種機械
、電子部品への保護コーティング、あるいは機能性デバ
イスへの応用が期待されている。
この膜の形成方法は試料基板を加熱せず、比較的高真空
、たとえば0.ITorr以下で炭化水素7ガスをプラ
ズマ分解する気相合成法が主なものである。
プラズマ分解法としては、たとえば文献り、P。
Anders□n  et  al、:Th1n  5
olid  Fi1ms63(1979) 155に示
すように高周波(13,56MHz )を印加する方法
が一般的に用いられている。
〔発明が解決しよ5とする課題〕 しかしながら、この方法では高周波電源によって高電圧
、低電流の条件で試料電極近傍にプラズマが形成され、
試料基板がプラズマに直接さらされながら硬質カーボン
膜が形成されるため、試料基板は高エネルギーの荷電粒
子の衝撃を受け、下地試料基板の損傷、エツチング、あ
るいは劣化を。
生じたり、また、半導体素子などの電子デバイスのパッ
シベーション膜としての硬質カーボン膜の応用等におい
ては素子の電気的特性の劣化をひきおこす。さらに長時
間、プラズマにさらされると試料基板が高温になるため
、高分子材料を基板とした場合、熱変形、さらには基材
の溶融がおこる。
本発明の目的は、気相合成法、特にプラズマを用いる気
相合成法による硬質カーボン膜の形成方法において、試
料基板に損傷を与えず、さらに従来法より、より低温形
成が可能な硬質カーボン膜の形成方法を提供することに
ある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成させるために本発明における硬質カーボ
ン膜は、下記記載の方法により形成する。
排気系およびガス導入口を有する真空室内に、ビーム状
のプラズマを発生する中空陰極型のプラズマビーム源と
、このプラズマビーム源に対して対向配置する対向電極
と、発生するプラズマを薄い板状のプラズマ領域に整形
するための手段と、対向電極に対して負の電圧が印加さ
れかつプラズマ領域と平行に配置する試料電極とを備え
、この試料電極上に試料基板を配置して、排気系により
真空室内を真空排気後、プラズマビーム源と対向電極と
の間に板状のプラズマ領域を形成し、ガス導入口からメ
タン等の炭化水素ガスを主成分とするガスを真空室内に
導入し、同時に試料基板に所定の電圧を印加することに
より硬質カーボン膜を形成する。
〔実施例〕
以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。
第1図(a)および(b)は本発明の硬質カーボン膜形
成に用いる装置を示し、第1図(a)は装置要部の側面
配置を示す説明図、第1図(b)は装置要部の平面配置
を示す説明図である。第2図は本発明の硬質カーボン膜
形成に用いるプラズマビーム源を示ス断面図である。以
下、第1図(a)、第1図(b)、第2図を交互に参照
して説明する。
ヒーム状ノフラズマを発車するプラズマビーム源10と
永久磁石44と、さらにこのプラズマビーム源10に対
して正の電圧が印加され、かつプラズマビーム源10と
対向配置する水冷された対向電極12とを真空室22の
壁面に設ける。このプラズマビーム源10と対向電極1
2との間にプラズマを発生させる。対向電極12の裏面
には対向電極用永久磁石(曜示せず)を配置して、この
対向電極用永久磁石と真空室22外に設けた複数の集束
コイル26との磁界により発生したプラズマを対向電極
12に集束させる。さらにプラズマビーム源10出口と
真空室22との間に、磁石の同極を対向配置した一対の
永久磁石44を設け、この永久磁石44の反撥磁界によ
ってプラズマの厚さを圧縮して、広がりを持つ薄い板状
に整形した高密度の破線20で示すプラズマ領域18を
形成する。すなわちプラズマを板状のプラズマ領域18
に整形するための手段としては、真空室22外に設けた
複数の集束コイル26と、プラズマビーム源10出口と
真空室22人口との間に設けた一対の永久磁石44とか
ら構成する。なお集束コイル26は真空室22内に配置
しても良い。
試料基板16は薄い板状のプラズマ領域18とほぼ平行
に配置した試料電極14上に載置する。
このとき試料電極14には対向電極12に対して負の電
圧を印加する。この試料電極14に印加する電圧は、プ
ラズマビーム源10と対向電極12との間に印加する電
圧とは独豆に制御する。さらに試料電極14は図示を省
略したが、−100℃から900℃程度の温度範囲で設
定可能な加熱冷却手段t7!:備えている。
ビーム状のプラズマを発生するプラズマビーム源10は
第2図に示すように、水冷ボックス40の中心部を貫通
してガス導入口を兼ねるタンクルパイプからなる補助陰
極32と、円板状のランタンへキサボロイド(LaBa
)からなる主陰極34と、タングステンからなる円板状
の熱板36と、モリブデンからなる外筒42およびキャ
ップ68と、中間電極30とから構成する。
プラズマの発生はまず真空室22内の圧力を排気系24
により真空度10−’Torr程度に真空排気した後、
補助陰極62を通して不活性ガス、たとえばアルゴンを
導入し、補助陰極62と対向電極12との間で導入した
不活性ガスを放電させる。
このとき真空室22内の圧力は10−’−10−’To
 r rに保持する。この放電によって主陰極640ラ
ンタンへキサボロイドがボンバードされることにより、
主陰極64が加熱され高温になると、次に主陰極64と
対向電極12との間の放電に移行する。
このとき中間電極30では磁界によりプラズマを細く絞
りこみ中間電極30の開口部を内径数mm程度としてい
るため、真空室22は高真空であるにもかかわらず主陰
極34近傍は低真空に保持される。このため高温の主陰
極34から多量の熱電子が放出され続は大放電電流が維
持される。この熱電子放出源としては、円板状の主陰極
のかわりにコイル状などのランタンへキサボロイドを用
いても良い。第1図(a)および第1図(b)に示す複
数の集束コイル26と、対向電極12の裏面に配置する
対向電極用永久磁石と、プラズマビーム源10出口に配
置する永久磁石44とにより形成される磁場の作用で、
プラズマビーム源10と対向電極12との間に高密度で
広がりを持つ板状のプラズマ領域18が形成される。
試料基板16表面への硬質カーボン膜の形成は、試料基
板16を真空室22内の試料電極14上に載置する。こ
のとき試料基板16と硬質カーボン膜との密着性を向上
させるためにあらかじめ試料基板16上に密着改善のた
めのシリコンやゲルマニウム等の中間層を形成しておい
ても良い。この中間層に関しては本出願人が先に特願昭
60−256426号で提案している。その後、前述の
ように真空室22内を真空排気し、プラズマビーム源1
0と対向電極12との間に、アルゴンガスやヘリウムガ
スなどの不活性ガスを導入し、板状のプラズマ領域18
を形成する。さらにガス導入028からメタン(CH4
)、エタン(C2H4)、エチレン(C2H4)、プロ
パン(Ca Hs )、アセチレン(C2H2)などの
炭化水素ガスを真空室22内に導入し、真空室22内を
10 〜10  Torrに保持する。このとき炭化水
素ガスに不活性ガスな添加したガスを導入しても良い。
導入された炭化水素ガスからはプラズマ領域18で、正
電荷に帯電した炭素もしくは炭化水素のプラスイオンを
はじめ種々の励起種、活性種が生成される。このうちプ
ラスイオンが対向電極12に対して負の電圧を印加した
試料電極14上の試料基板16表面に衝突し、表面上で
再結合を起こし、硬質カーボン膜が形成される。また、
このとき硬質カーボン膜の密着性をより強固にするため
の手段として、炭化水素ガスを導入する前に、不活性ガ
スプラズマ中で試料電極14に負電圧を印加することに
よって、プラズマエツチングによる試料基板16のクリ
ーニングを行なっても良い。また試料電極14への負電
圧の印加は、図面では直流電源による方法を記載したが
、高周波電源(13,56MHz)を用いても良い。
上述のように本発明においては試料基板16をプラズマ
領域18中に配置しないため、プラズマ中の荷電粒子に
よる直接の衝撃を受けない。このため試料基板16の損
傷あるいは劣化は著しく軽減される。その上、試料基板
16の温度上昇が抑制されるため、従来の高周波プラズ
マを用いたプラズマ分解法による硬質カーボン膜の形成
方法と比較するとはるかに低温で硬質カーボン膜が形成
可能である。
以下に代表的な条件における硬質カーボン膜の形成条件
および硬度を以下に示す。
−形成条件− ガス種:メタン(CH4)、 ガス流量: 30 SCCM。
真空室内圧カニ0.ITorr。
基板温度:100℃、 電極印加電圧ニー600V。
試料基板:シリコンウェハーく111〉堆積速度=0.
5μm/分、 ビッカース硬度:約4,000 Kg/−以上。
以上の条件で堆積した硬質カーボン膜は、X線回折およ
びRHEED(反射高速電子線回折)の分析結果からア
モルファス構造を主体とする構造を有し、またFT−I
Rスペクトルの結果から少量の水素を含有していること
がわかった。また色相は膜厚1μm以上では黒色を呈し
ている。
また本発明では、プラズマビーム源10からの多量の熱
電子放出とプラズマビーム源10出口に配置した永久磁
石44の反撥磁界によりプラズマを圧縮して高密度でし
かも均一なプラズマ領域18を形成しているため、試料
基板16上で5〜200mA/cd  という高いイオ
ン電流値と、均一なイオン電流分布が得られる。このた
め大面積に均一な膜厚で硬質カーボン膜の高速成膜が可
能である。本実施例では一辺30cIftの正方形のス
テンレス鋼全面に均一に硬質カーボン膜を形成すること
ができたが、さらに装置のスケールアップを行うことに
より、より大面積の試料基板への硬質カーボン膜の被覆
が可能である。さらに本実施例で用いた装置では真空度
か10  Torr程度の高真空でもプラズマの発生を
維持できるため、不純物粒子を混入しない清浄な雰囲気
で硬質カーボン膜の形成を行うことも可能である。この
ため、良好な膜質を有する硬質カーボン膜が得られる。
〔発明の効果〕
以上の説明で明らかなように、本発明の硬質カーボン膜
の形成方法は、均一でしかも高密度な薄い板状のプラズ
マ領域と平行に試料基板を設置することによって硬質カ
ーボン膜形成時のプラズマ中の荷電粒子による試料基板
へのダメージを軽減させ、さらに低温形成を可能とさせ
るものである。
さらにこの方法を用いることによって、大面積に均一な
膜厚で高速な硬質カーボン膜形成が達成できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明における硬質カーボン膜の形成に用いる
装置を示し、第1図(a)は装置要部の側面配置を示す
説明図、第1図(b)は装置要部の平面配置を示す説明
図、第2図は本発明における硬質カーボン膜形成に用い
るプラズマビーム源を示す断面図である。 10・・・・・・プラズマビーム源、 12・・・・・・対向電極、 14・・・・・・試料電極、 16・・・・・・試料基板、 18・・・・・・プラズマ領域、 22・・・・・・真空室。 第1図 (&) 10.7つズマビーム溝 12、対角電極 14、諷f斗8極 16、試材基板 18、  フつス°マ」I滅 n、真空室

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 排気系およびガス導入口を有する真空室内に、プラズマ
    を発生する中空陰極型のプラズマビーム源と、該プラズ
    マビーム源と対向配置しかつ前記プラズマビーム源に対
    して正の電圧が印加される対向電極と、前記プラズマを
    薄い板状のプラズマ領域に整形するための手段と、前記
    対向電極に対して負の電圧が印加されかつ前記プラズマ
    領域と平行に配置する試料電極とを備え、前記試料電極
    上に試料基板を配置して、前記排気系により前記真空室
    内を真空排気後、前記プラズマビーム源と対向電極との
    間に板状のプラズマ領域を形成し、前記ガス導入口から
    炭化水素ガスを主成分とするガスを前記真空室内に導入
    して、さらに前記試料基板に所定の電圧を印加すること
    により、前記試料基板上に硬質カーボン膜を形成するこ
    とを特徴とする硬質カーボン膜の形成方法。
JP1040546A 1989-02-21 1989-02-21 硬質カーボン膜の形成方法 Pending JPH02221372A (ja)

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