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

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。