JPH04318172A - Method for synthesizing rigid carbon film and device therefor - Google Patents

Method for synthesizing rigid carbon film and device therefor

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JPH04318172A
JPH04318172A JP8382191A JP8382191A JPH04318172A JP H04318172 A JPH04318172 A JP H04318172A JP 8382191 A JP8382191 A JP 8382191A JP 8382191 A JP8382191 A JP 8382191A JP H04318172 A JPH04318172 A JP H04318172A
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carbon film
synthesizing
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裕一 中上
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英雄 黒川
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Abstract

PURPOSE:To obtain a method and a device for synthesizing a rigid carbon film by which this rigid carbon film excellent in film quality is uniformly synthesized at high velocity. CONSTITUTION:A vessel 6 insulated from earth potential is arranged in a vacuum tank 11 and a heating filament 5 is provided therein. A meshy electrode 2 is provided to the opening part of the vessel. Plasma is generated in this vessel 6. Since the circumference of the vessel is interrupted from earth potential, plasma 4 is maintained at high density in an equilibrium state. Plasma density and electric potential are uniformed in the vicinity of the meshy electrode 2 faced with a base body 1. In this state, bias is impressed to the base body 1 and ions are accelerated by both plasma 4 and the electric potential of the base body 1. A rigid carbon film is synthesized on the base body 1.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、硬質炭素膜の合成方法
および合成装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for synthesizing hard carbon membranes.

【0002】0002

【従来の技術】近年、耐摩耗性や潤滑性に優れた硬質炭
素膜が盛んに研究されており、工具や摺動部材等の保護
膜としての応用が試みられている。硬質炭素膜は、ダイ
ヤモンド状薄膜とも呼ばれ、非晶質ではあるが、ダイヤ
モンド結合(sp3)成分が多く含まれ、ヌープ硬さ3
000〜10000の優れた硬さを有する。また、電気
的性質や光学的性質などが結晶ダイヤモンドに近い物理
的性質を示すことから、様々な分野への応用展開が期待
されている材料である。
BACKGROUND OF THE INVENTION In recent years, hard carbon films with excellent wear resistance and lubricity have been actively researched, and attempts have been made to apply them as protective films for tools, sliding members, etc. A hard carbon film is also called a diamond-like thin film, and although it is amorphous, it contains many diamond bond (sp3) components and has a Knoop hardness of 3.
It has an excellent hardness of 000 to 10,000. Furthermore, because it exhibits physical properties such as electrical and optical properties that are close to those of crystalline diamond, it is a material that is expected to find application in a variety of fields.

【0003】このダイヤモンド状薄膜を合成する方法と
して、炭素を含むガスをプラズマ化し、発生したイオン
、ラジカルの物理的エネルギーや化学的エネルギーを利
用した合成方法が一般に広く知られている。たとえば、
特開昭60−65796号公報には、熱フィラメントか
らの熱電子衝撃を利用して、原料ガスをプラズマ分解し
、硬質炭素膜を合成する方法が開示されている。以下は
、この方法を用いた従来技術の説明を行う。
[0003] As a method for synthesizing this diamond-like thin film, a method is generally known in which a carbon-containing gas is turned into plasma and the physical energy and chemical energy of the generated ions and radicals are utilized. for example,
JP-A-60-65796 discloses a method for synthesizing a hard carbon film by subjecting raw material gas to plasma decomposition using thermionic bombardment from a hot filament. Below, a description of the prior art using this method will be given.

【0004】図12に従来の硬質炭素膜の合成装置の概
略構成を示す。真空槽11の内部に、プラズマ発生源と
しての熱フィラメント5があり、この上方に、プラズマ
放電用電極14が設置されている。さらに、上方にはシ
ャッターを介して、膜が合成される基体1が設置されて
いる。プラズマ放電用電極14および基体1には外部電
源9、10と接続されており、その電位を制御する構成
となっている。また、下部にはプラズマ密度を高めるた
めの永久磁石13が設置されている。
FIG. 12 shows a schematic configuration of a conventional hard carbon film synthesis apparatus. There is a hot filament 5 as a plasma generation source inside the vacuum chamber 11, and a plasma discharge electrode 14 is installed above the hot filament 5. Furthermore, a substrate 1 on which a film is synthesized is installed above via a shutter. The plasma discharge electrode 14 and the base 1 are connected to external power supplies 9 and 10, and are configured to control their potentials. Furthermore, a permanent magnet 13 is installed at the bottom to increase plasma density.

【0005】次に、この従来装置を用いて、硬質炭素膜
を合成する手順を説明する。まず、真空槽11内を真空
排気したのち、熱フィラメント5を通電加熱する。原料
ガスのエチレンをガス導入口8から真空槽11内に導入
する。次に、プラズマ放電用電極14に正電圧を印加す
ると、熱フィラメント5から放出された熱電子が加速さ
れ、プラズマが発生する。さらに、永久磁石13によっ
て、磁界を印加すると、熱電子は螺旋運動を行い、エチ
レン分子との衝突回数が増大してプラズマ密度が高まる
。一方、基体1には電源9より負バイアスを印加して、
プラズマ中のイオンを加速し、基体上に硬質炭素膜を合
成するものである。
Next, a procedure for synthesizing a hard carbon film using this conventional apparatus will be explained. First, the inside of the vacuum chamber 11 is evacuated, and then the hot filament 5 is heated with electricity. Ethylene as a raw material gas is introduced into the vacuum chamber 11 from the gas inlet 8. Next, when a positive voltage is applied to the plasma discharge electrode 14, the thermoelectrons emitted from the hot filament 5 are accelerated and plasma is generated. Furthermore, when a magnetic field is applied by the permanent magnet 13, the thermoelectrons perform a spiral motion, the number of collisions with ethylene molecules increases, and the plasma density increases. On the other hand, a negative bias is applied to the substrate 1 from the power supply 9,
It accelerates ions in plasma to synthesize a hard carbon film on a substrate.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来例
の構成で硬質炭素膜を合成しようとすると、以下のよう
な課題が発生するのである。
[Problems to be Solved by the Invention] However, when attempting to synthesize a hard carbon film using this conventional structure, the following problems occur.

【0007】すなわち、熱フィラメント5によって発生
させたプラズマは、発生初期に一定の電位を持っている
ため低電位部分との放電、特に、プラズマ周囲のアース
電位と放電する。このため、プラズマ内には不均一な電
位勾配が形成されるのである。  この結果、基体1に
直面しているプラズマ状態は、不均一な電位分布を形成
し、イオン、ラジカルの存在比率も、場所により分布が
できる。また、基体1には高電圧が印加されているから
プラズマは基体方向へは広がらずに、横方向に放電し真
空槽内全域に広がるのである。これにより、プラズマ密
度が小さくなり原料ガスの分解効率およびイオン化率も
低下するのである。
That is, since the plasma generated by the hot filament 5 has a constant potential at the initial stage of generation, it discharges with low potential parts, particularly with the ground potential around the plasma. Therefore, a non-uniform potential gradient is formed within the plasma. As a result, the plasma state facing the substrate 1 forms a non-uniform potential distribution, and the abundance ratio of ions and radicals is also distributed depending on the location. Furthermore, since a high voltage is applied to the substrate 1, the plasma does not spread toward the substrate, but is discharged laterally and spread throughout the vacuum chamber. As a result, the plasma density decreases, and the decomposition efficiency and ionization rate of the source gas also decrease.

【0008】従来方法では、この様な状態で膜合成が行
なわれるために、基体に均一な膜質、膜厚の硬質炭素膜
を得ることは困難であった。しかも、プラズマが真空槽
内に全体的に広がって、プラズマ密度が小さくなってい
ることは、膜質、膜の付着性に悪影響を及ぼし、成膜速
度も遅くなるという課題が生じるのである。
[0008] In the conventional method, since film synthesis is carried out under such conditions, it is difficult to obtain a hard carbon film of uniform quality and thickness on a substrate. Moreover, the plasma spreads throughout the vacuum chamber and the plasma density is reduced, which has a negative effect on film quality and film adhesion, and also causes problems such as slowing down the film formation rate.

【0009】以上のように、従来方式によれば、均一か
つ高密度のプラズマを発生させることができず、これに
よって合成した膜は均一性、膜質、成膜速度等の点で課
題が発生した。
As described above, according to the conventional method, it is not possible to generate uniform and high-density plasma, and as a result, the films synthesized by this method have problems in terms of uniformity, film quality, film formation speed, etc. .

【0010】0010

【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するには、真空槽内にアース電位と絶縁した容器を配置
し、この内部でプラズマを発生させるとともに、前記容
器の開口部にメッシュ状電極を設けると共に、前記容器
外部で前記メッシュ状電極に対向する位置に基体を配設
する。そして、メッシュ状電極で制御したプラズマ電位
と基体の電位との電位差によって、イオンを加速し基体
上に膜合成を行なうものである。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, a container insulated from earth potential is placed in a vacuum chamber, plasma is generated inside the container, and a mesh is installed at the opening of the container. A mesh-shaped electrode is provided, and a base body is disposed outside the container at a position facing the mesh-shaped electrode. Then, the ions are accelerated by the potential difference between the plasma potential controlled by the mesh electrode and the potential of the substrate, and a membrane is synthesized on the substrate.

【0011】また、この場合、プラズマから基体に至る
イオンの飛翔経路の周囲をアース電位と絶縁した部材で
取り囲めば一層好ましい。
In this case, it is more preferable to surround the flight path of ions from the plasma to the substrate with a member insulated from the ground potential.

【0012】0012

【作用】上記手段の作用は以下の通りである。[Operation] The operation of the above means is as follows.

【0013】すなわち、上記構成によれば、メッシュ状
電極に電位を印加すると、容器内の限られた領域にのみ
プラズマが発生し、高密度な状態を維持することができ
る。ここで、容器にはアース電位と絶縁されているから
、プラズマもアース電位と放電することはない。すなわ
ち、プラズマはメッシュ状電極以外に放電する部分がな
く、プラズマ中の電界はすべてメッシュ状電極の方へ形
成されこの平衡状態が保たれるのである。
That is, according to the above configuration, when a potential is applied to the mesh electrode, plasma is generated only in a limited area inside the container, and a high-density state can be maintained. Here, since the container is insulated from the ground potential, the plasma will not be discharged to the ground potential. In other words, the plasma has no discharge area other than the mesh electrode, and the electric field in the plasma is entirely directed toward the mesh electrode, thus maintaining this equilibrium state.

【0014】さらに、基体に直面したメッシュ状電極の
近傍の領域では、電極に供給される電位によって、プラ
ズマ密度、プラズマ電位の均一化が図られる。
Furthermore, in the region near the mesh electrode facing the substrate, the plasma density and plasma potential are made uniform by the potential supplied to the electrode.

【0015】この結果、この領域で発生するイオンの密
度、電位も均一となる。すなわち、メッシュ状電極は電
子を加速しプラズマを発生させるとともに、プラズマ電
位を均一化し制御する役割を兼ね備えているのである。
As a result, the density and potential of ions generated in this region are also uniform. In other words, the mesh electrode not only accelerates electrons and generates plasma, but also has the role of uniformizing and controlling the plasma potential.

【0016】従って、この状態で合成された硬質炭素膜
の膜質および膜厚は均一性が実現できるとともに、高密
度プラズマによる成膜速度の向上が実現できる。また、
そのプラズマ電位と基体の電位を自由に制御することに
よって、イオンに所望の加速エネルギーを与えることが
でき、良質の硬質炭素膜を得ることができるのである。
[0016] Therefore, the hard carbon film synthesized in this state can achieve uniformity in film quality and film thickness, and can also realize an improvement in the film formation rate using high-density plasma. Also,
By freely controlling the plasma potential and the potential of the substrate, desired acceleration energy can be given to the ions, and a high quality hard carbon film can be obtained.

【0017】さらに、この場合、イオンの飛翔経路の周
囲をアース電位と絶縁した部材で取り囲めば、更に次の
様な作用が得られる。すなわち、このイオンの飛翔経路
の周囲をアース電位と絶縁した部材で取り囲むことで、
プラズマ中から基体方向以外へのイオンの発散を抑制す
ることができる。
Furthermore, in this case, if the ion flight path is surrounded by a member insulated from the ground potential, the following effect can be obtained. In other words, by surrounding the flight path of these ions with a member insulated from earth potential,
It is possible to suppress the diffusion of ions from the plasma toward a direction other than the substrate.

【0018】すなわち、イオンは、基体方向へ加速され
るものと、基体方向以外に飛翔するものがある。基体方
向以外に加速されたイオンは、途中で、この部材によっ
て進行を遮断される。
That is, some ions are accelerated toward the substrate, while others fly in a direction other than the substrate. Ions accelerated in a direction other than the direction of the substrate are blocked from advancing by this member on the way.

【0019】この時、この部材は、アース電位と絶縁さ
れているから、電荷がそのまま保存され、チャージアッ
プが生じる。そのまま、膜の合成を続行すると、イオン
はチャージアップしている部材に反発して、その飛翔方
向を基体方向へ修正するのである。この結果、イオンは
基体方向へ集中し、合成速度が向上するとともに膜質も
向上するのである。
At this time, since this member is insulated from the ground potential, the electric charge is stored as it is, and charge-up occurs. If the synthesis of the film continues, the ions will be repelled by the charged-up member and their flight direction will be corrected toward the substrate. As a result, ions are concentrated toward the substrate, increasing the synthesis rate and improving film quality.

【0020】[0020]

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。[Example] Next, an example of the present invention will be described.

【0021】図1は本発明の第1の実施例装置の構成概
略である。真空槽11内の中央に、アース電位とは絶縁
した、すなわち、電気的に浮かして、原料ガス導入口8
に直結した容器6を配置した。この容器6の内部にプラ
ズマ発生手段として、熱フィラメント5を設置し、容器
6上部にメッシュ状電極2を設置した。メッシュ状電極
2は、真空容器11外の直流電源10により、電位を印
加する。また、さらにその上方に基体1を設置し、外部
の直流電源9により基板電位を制御した。
FIG. 1 schematically shows the configuration of a first embodiment of the present invention. In the center of the vacuum chamber 11, a raw material gas inlet 8 is insulated from the ground potential, that is, electrically floating.
A container 6 directly connected to the container 6 was placed. A hot filament 5 was installed as a plasma generating means inside this container 6, and a mesh electrode 2 was installed above the container 6. A potential is applied to the mesh electrode 2 by a DC power supply 10 outside the vacuum container 11 . Furthermore, the substrate 1 was placed above it, and the substrate potential was controlled by an external DC power source 9.

【0022】次に、膜の合成手順を説明する。まず、真
空槽11内を真空ポンプで10−4Torrまで真空排
気する。 次に、原料ガス導入口8からArガスを導入し、ガス流
量の調節で、そのガス圧を10−3Torrに調整した
。これと同時に、熱フィラメント5を通電加熱し、熱電
子を容器6内に供給する。
Next, the procedure for synthesizing the membrane will be explained. First, the inside of the vacuum chamber 11 is evacuated to 10 −4 Torr using a vacuum pump. Next, Ar gas was introduced from the raw material gas inlet 8, and the gas pressure was adjusted to 10 −3 Torr by adjusting the gas flow rate. At the same time, the hot filament 5 is electrically heated and thermoelectrons are supplied into the container 6.

【0023】メッシュ状電極2に正電位+90Vを印加
し、Arプラズマを発生させた。この状態で、基体1に
負電圧2000Vを印加し、Arイオンスパッタによる
基体表面のクリーニングを20分間行った。クリーニン
グ終了後、プラズマ放電を休止、Arガスの供給を停止
した。次に、炭素原料であるメタン、またはベンゼンの
供給を開始し、基体の電位を0〜−5000Vの範囲で
調整した。再び、プラズマ放電を再開し炭素膜の合成を
開始する図2(a)に、図1のA−A間において、プラ
ズマ発光強度から測定したプラズマ密度の分布を正規化
して示す。熱フィラメント中央部では、もっとも、熱電
子の供給量が多く、高密度であるが、メッシュ状電極近
傍での分布はほぼ平均的で、均一かつ高密度のプラズマ
が発生している。
A positive potential of +90 V was applied to the mesh electrode 2 to generate Ar plasma. In this state, a negative voltage of 2000 V was applied to the substrate 1, and the surface of the substrate was cleaned by Ar ion sputtering for 20 minutes. After cleaning was completed, plasma discharge was stopped and Ar gas supply was stopped. Next, the supply of methane or benzene, which is a carbon raw material, was started, and the potential of the substrate was adjusted in the range of 0 to -5000V. FIG. 2A shows the normalized distribution of plasma density measured from the plasma emission intensity between A and A in FIG. 1 when plasma discharge is resumed and carbon film synthesis is started. At the center of the hot filament, the amount of thermoelectrons supplied is the largest and the density is high, but the distribution near the mesh electrode is almost average, and a uniform and high-density plasma is generated.

【0024】以上のような操作手順によって、基体上に
硬質炭素膜の合成を行った。次に、基体上に合成した膜
の特性について述べる。
[0024] A hard carbon film was synthesized on a substrate by the operating procedure as described above. Next, the characteristics of the membrane synthesized on the substrate will be described.

【0025】まず、本実施例で合成した膜の均一性を、
従来方法で形成した膜の均一性と比較した。図3(a)
に本実施例で合成した膜の膜厚分布を示す。容器6の開
口部に相当する成膜領域では、膜厚むらは±2%以下で
あり、均一に成膜されている。
First, the uniformity of the film synthesized in this example was
The uniformity of the film was compared with that of a film formed using a conventional method. Figure 3(a)
shows the film thickness distribution of the film synthesized in this example. In the film forming region corresponding to the opening of the container 6, the film thickness unevenness is ±2% or less, and the film is uniformly formed.

【0026】一方、従来方法を用いて本実施例と同一の
基板上に膜形成を行なった場合の膜厚分布を、比較の為
に図3(a)にも記載している。従来方法では、プラズ
マ密度の分布に応じて膜厚むらが大きい。
On the other hand, for comparison, the film thickness distribution when a film was formed on the same substrate as in this example using the conventional method is also shown in FIG. 3(a). In the conventional method, film thickness unevenness is large depending on the distribution of plasma density.

【0027】次に、原料ガスにメタン、ベンゼンの2種
を用いて、膜の合成を行い、比較実験を行った。なお、
この比較実験における成膜条件は(表1)の通りである
Next, membranes were synthesized using two types of raw material gases, methane and benzene, and comparative experiments were conducted. In addition,
The film forming conditions in this comparative experiment are as shown in Table 1.

【0028】[0028]

【表1】 図4に、メッシュ状電極2と基体1間の電位差と膜硬さ
の関係を示す。いずれの原料ガスを使用しても、100
0V以下の比較的低い電位差値で硬さのピークをもつ傾
向を示すが、特にベンゼンを使用した場合には、ヌープ
硬さ6000の硬さを示し、膜質が向上している。しか
し、電位差が100V以下の場合は、イオンのエネルギ
ーが小さ過ぎ、柔らかい膜しか合成されない。また、エ
ネルギーがおおき過ぎても膜質は低下する傾向があり、
特に5000V以上になると、高エネルギーをもったイ
オンが基体や膜の下地に損傷を与えながら合成されるた
め、膜質を低下させる。
[Table 1] FIG. 4 shows the relationship between the potential difference between the mesh electrode 2 and the substrate 1 and the film hardness. No matter which raw material gas is used, 100
Although the hardness tends to peak at a relatively low potential difference value of 0 V or less, especially when benzene is used, the film shows a hardness of 6000 on the Knoop hardness, and the film quality is improved. However, when the potential difference is less than 100 V, the energy of the ions is too small and only a soft film is synthesized. Also, if the energy is too high, the film quality tends to deteriorate.
In particular, when the voltage exceeds 5000 V, high-energy ions are synthesized while damaging the substrate and the underlying layer of the film, resulting in a decrease in film quality.

【0029】また、図5にこれらの試料を作製したとき
の成膜速度と電位差の関係を示す。電位差に対して成膜
速度は一定であり、特に、ベンゼンを使用した場合には
、成膜速度が大きくなっている。これは、一定のガス圧
では一分子中に含まれる炭素数が多いベンゼンの方が、
供給される炭素量も多くなり合成速度が向上するのであ
る。
Furthermore, FIG. 5 shows the relationship between the film formation rate and the potential difference when these samples were prepared. The film formation rate is constant with respect to the potential difference, and the film formation rate is particularly high when benzene is used. This means that at a constant gas pressure, benzene, which has a larger number of carbon atoms in one molecule,
The amount of carbon supplied also increases and the synthesis rate improves.

【0030】また、一定の電流密度では、ベンゼンの方
が炭素一原子当りに配分されるエネルギーが小さくなる
。したがって、下地に損傷を与えにくく、硬質の炭素膜
が実現できる。これらのことから、1分子中に含まれる
炭素原子数が大きい材料を原料に使用することによって
、硬さ、成膜速度の点で優れた硬質炭素膜を合成できる
のある。
Furthermore, at a constant current density, the energy distributed per carbon atom is smaller in benzene. Therefore, it is possible to realize a hard carbon film that is less likely to damage the underlying layer. From these facts, it is possible to synthesize a hard carbon film with excellent hardness and film formation speed by using a material with a large number of carbon atoms contained in one molecule as a raw material.

【0031】次に、イオン電流密度を変化させ、膜特性
を比較した。実験条件を(表2)に示す。
Next, the ion current density was varied and the membrane properties were compared. The experimental conditions are shown in (Table 2).

【0032】[0032]

【表2】 図6に電流密度と成膜速度の関係を、図7に電流密度と
膜の硬さの関係を示す。電流密度を増加することによっ
て、膜質は維持されたまま、成膜速度が向上することが
わかる。しかし、電流密度を1.0mA/cm2以上増
加させると、イオンによる電解集中によって膜の付着性
が悪くなり、剥離を生じた。また、0.01mA/cm
2以下の場合、成膜速度が非常に遅くなった。
[Table 2] FIG. 6 shows the relationship between current density and film formation rate, and FIG. 7 shows the relationship between current density and film hardness. It can be seen that by increasing the current density, the film formation rate is improved while the film quality is maintained. However, when the current density was increased by 1.0 mA/cm2 or more, the adhesion of the film deteriorated due to electrolytic concentration due to ions, resulting in peeling. Also, 0.01mA/cm
When it was 2 or less, the film formation rate became very slow.

【0033】次に、導入する原料ガス流量により、真空
槽内のガス圧を変化させ、膜質との関係を調べた。実験
条件を(表3)に示す。
Next, the gas pressure in the vacuum chamber was varied depending on the flow rate of the raw material gas introduced, and the relationship with film quality was investigated. The experimental conditions are shown in (Table 3).

【0034】[0034]

【表3】 図8は真空槽のガス圧と膜のヌープ硬さとの関係を示す
[Table 3] Figure 8 shows the relationship between the gas pressure in the vacuum chamber and the Knoop hardness of the membrane.

【0035】また、図9にガス圧と基体への到達イオン
量から算出したイオン比率の関係を示す。
FIG. 9 shows the relationship between the gas pressure and the ion ratio calculated from the amount of ions reaching the substrate.

【0036】また、図10にガス圧と成膜速度の関係を
示す。これらの図より、ガス圧を変化させることにより
、基体に到達するイオンとラジカルの比率が変化する。 すなわち、ガス圧を増加させると、基体1に到達するラ
ジカルの量が増加し、成膜速度が増大する。
Furthermore, FIG. 10 shows the relationship between gas pressure and film formation rate. These figures show that by changing the gas pressure, the ratio of ions and radicals reaching the substrate changes. That is, when the gas pressure is increased, the amount of radicals that reach the substrate 1 increases, and the film formation rate increases.

【0037】しかし、ラジカルの増加によって、イオン
比率が減少し、膜の硬さも低下してくることがわかる。 このことは、より高いイオン比率で膜を構成することに
より、良質の膜を得ることができ、そのイオンの比率は
少なくとも50%以上である。
However, it can be seen that as the number of radicals increases, the ion ratio decreases and the hardness of the film also decreases. This means that a membrane of good quality can be obtained by configuring the membrane with a higher ion ratio, and the ion ratio is at least 50% or more.

【0038】次に、本発明の第2の実施例装置について
述べる。図11に本発明の第2の実施例装置の概略構成
を示す。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 shows a schematic configuration of an apparatus according to a second embodiment of the present invention.

【0039】図11において、図1と同一機能の構成要
素には、図1と同じ符号を付けている。
In FIG. 11, components having the same functions as those in FIG. 1 are given the same reference numerals as in FIG.

【0040】本実施例装置では、プラズマから基体方向
に向かって、イオンが飛翔する経路の周囲にアース電位
と絶縁した円筒管12を設置した。
In the apparatus of this embodiment, a cylindrical tube 12 insulated from the ground potential was installed around the path through which ions fly from the plasma toward the substrate.

【0041】本実施例装置を用いて、硬質炭素膜の合成
実験を行った。膜の合成手順は第1の実施例の場合と全
く同じである。実験条件を(表4)に示す。
[0041] Using the apparatus of this example, an experiment was conducted to synthesize a hard carbon film. The membrane synthesis procedure is exactly the same as in the first example. The experimental conditions are shown in (Table 4).

【0042】[0042]

【表4】 (表5)に本構成を実施した場合と、図1の構成の実施
しない場合について、成膜速度、イオン電流密度、膜硬
度について比較した。
[Table 4] (Table 5) compares the case where this configuration is implemented and the case where the configuration of FIG. 1 is not implemented in terms of film formation rate, ion current density, and film hardness.

【0043】[0043]

【表5】 本実施例装置によれば、プラズマ中のイオンを基体方向
に集中させ、電流密度を上げることができる。すなわち
、イオンは、基体方向へ加速されるものと、基体方向以
外に飛翔するものがあるが、基体方向以外に加速された
イオンは、途中で、この部材によって進行を遮断される
[Table 5] According to the apparatus of this embodiment, ions in the plasma can be concentrated in the direction of the substrate and the current density can be increased. That is, some ions are accelerated toward the substrate, while others fly in a direction other than the substrate, and the ions accelerated in a direction other than the substrate are blocked from advancing by this member on the way.

【0044】この時、この部材は、アース電位と絶縁さ
れているから、この部材によって進行が遮断されたイオ
ンの電荷はそのまま保存され、チャージアップが生じる
。このまま、膜の合成を続行すると、イオンはチャージ
アップしている部材に反発して、その飛翔方向を基体方
向へ修正するのである。この結果、イオンは基体方向へ
集中し、合成速度が向上するとともに膜質も向上するの
である。また、膜質には特に影響を及ぼさない。
At this time, since this member is insulated from the ground potential, the charges of the ions whose progress is blocked by this member are retained as they are, and charge-up occurs. If the membrane synthesis continues in this state, the ions will be repelled by the charged-up member and their flight direction will be corrected toward the substrate. As a result, ions are concentrated toward the substrate, increasing the synthesis rate and improving film quality. Moreover, it does not particularly affect the film quality.

【0045】なお、本発明は、以上に述べた実施例に示
した実験条件に限るものではない。また、本発明で述べ
たアース電位と絶縁された容器あるいは部材は、金属を
用いても絶縁部材を用いても構わない。
Note that the present invention is not limited to the experimental conditions shown in the examples described above. Further, the container or member insulated from the earth potential described in the present invention may be made of metal or an insulating member.

【0046】また、プラズマの密度を高めるために、外
部磁界や外部電界を用いてもよい。また、原料にもメタ
ン、ベンゼンに限るものではなく、アルゴンや窒素等の
補助ガスを添加してもよい。
[0046] Furthermore, an external magnetic field or an external electric field may be used to increase the density of plasma. Furthermore, the raw materials are not limited to methane and benzene, and auxiliary gases such as argon and nitrogen may be added.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上の実施例からも明らかなように、本
発明によって、良質の硬質炭素膜を均一に、安定に、し
かも、高速に合成することが可能であり、炭素膜を応用
したデバイス、部品など多方面への展開が拡大でき、工
業的にも効果は大きい。
[Effects of the Invention] As is clear from the above examples, the present invention makes it possible to synthesize high-quality hard carbon films uniformly, stably, and at high speed, and enables devices to which carbon films are applied. , parts, etc. can be expanded to various fields, and it is also highly effective from an industrial perspective.

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

【図1】本発明の硬質炭素膜の合成装置の第1の実施例
装置の構成図
FIG. 1 is a configuration diagram of a first embodiment of the hard carbon film synthesis apparatus of the present invention.

【図2】(a)は図1の実施例装置におけるプラズマ密
度の特性図 (b)は、プラズマ密度の位置関係を示すための実施例
装置の要部断面図
[Fig. 2] (a) is a characteristic diagram of plasma density in the example device of Fig. 1; (b) is a sectional view of main parts of the example device to show the positional relationship of plasma density;

【図3】(a)は同実施例装置により得た成膜試料の膜
厚分布特性図 (b)は膜厚分布の位置関係を示すための実施例装置の
要部断面図
[Figure 3] (a) is a film thickness distribution characteristic diagram of a film-formed sample obtained using the same example apparatus; (b) is a cross-sectional view of the main part of the example apparatus to show the positional relationship of the film thickness distribution;

【図4】同実施例装置により得られた膜の硬さと電位差
の関係図
[Figure 4] Relationship diagram between the hardness and potential difference of the film obtained by the same example device

【図5】同実施例装置における成膜速度と電位差の関係
[Figure 5] Relationship diagram between film formation speed and potential difference in the same example device

【図6】同実施例装置における成膜速度と電流密度の関
係図
[Figure 6] Relationship diagram between film formation speed and current density in the same example device

【図7】同実施例装置における硬さと電流密度の関係図
[Figure 7] Relationship diagram between hardness and current density in the same example device

【図8】同実施例装置における成膜速度とガス圧の関係
[Fig. 8] Relationship diagram between film formation speed and gas pressure in the same example apparatus

【図9】同実施例装置におけるイオンの比率とガス圧の
関係図
[Figure 9] Relationship diagram between ion ratio and gas pressure in the same example device

【図10】同実施例装置における膜の硬さとガス圧の関
係図
[Figure 10] Relationship diagram between membrane hardness and gas pressure in the same example device

【図11】本発明の第2の実施例装置の構成図FIG. 11 is a configuration diagram of a device according to a second embodiment of the present invention.

【図12
】従来の硬質炭素膜の合成装置の構成図
[Figure 12
]Block diagram of a conventional hard carbon film synthesis device

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1  基体 2  メッシュ状電極 3  絶縁部材 4  プラズマ 5  フィラメント 6  容器 7  絶縁部材 8  原料ガス導入口 9  直流電源 10  直流電源 11  真空槽 12  円筒管 13  永久磁石 14  プラズマ放電用電極 1 Base 2 Mesh electrode 3 Insulating material 4 Plasma 5 Filament 6 Container 7 Insulating material 8 Raw material gas inlet 9 DC power supply 10 DC power supply 11 Vacuum chamber 12 Cylindrical tube 13 Permanent magnet 14 Plasma discharge electrode

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  炭素を含む原料ガスをプラズマ化し、
基体上に薄膜を形成する炭素膜の合成方法において、真
空槽内で、熱フィラメントにより発生させたプラズマを
アース電位から絶縁しつつ、前記プラズマの前記基体に
直面したプラズマ電位を制御し、これと対向した基体に
電位を印加して、前記プラズマ電位と前記基体電位の電
位差により、前記プラズマ中のイオンを前記基体方向へ
加速し、合成することを特徴とする硬質炭素膜の合成方
法。
[Claim 1] Converting a raw material gas containing carbon into plasma,
In a method for synthesizing a carbon film that forms a thin film on a substrate, plasma generated by a hot filament is insulated from ground potential in a vacuum chamber, and the plasma potential of the plasma facing the substrate is controlled; A method for synthesizing a hard carbon film, characterized in that a potential is applied to opposing substrates, and ions in the plasma are accelerated and synthesized toward the substrate due to the potential difference between the plasma potential and the substrate potential.
【請求項2】  基体に照射される粒子のなかでイオン
の占める比率が、50%以上である請求項1記載の硬質
炭素膜の合成方法
2. The method for synthesizing a hard carbon film according to claim 1, wherein ions account for 50% or more of the particles irradiated onto the substrate.
【請求項3】  原料に、1分子中に少なくとも複数個
の炭素原子が含有される炭素源を使用する請求項1記載
の硬質炭素膜の合成方法
3. The method for synthesizing a hard carbon film according to claim 1, wherein a carbon source containing at least a plurality of carbon atoms in one molecule is used as a raw material.
【請求項4】  基体に照射されるイオンの電流密度が
、0.01〜1.0mA/cm2の範囲である請求項1
記載の硬質炭素膜の合成方法
4. A current density of ions irradiated onto the substrate is in a range of 0.01 to 1.0 mA/cm2.
Synthesis method of hard carbon film described
【請求項5】  プラズマと基体間の電位差は、100
〜5000Vである請求項1記載の硬質炭素膜の合成方
5. The potential difference between the plasma and the substrate is 100
The method for synthesizing a hard carbon film according to claim 1, wherein the voltage is 5000V.
【請求項6】  原料ガスをプラズマ化する熱フィラ
メントと開口部にメッシュ状電極をともない、アース電
位と絶縁された容器と、前記容器の開口部に対向して、
基体および基体を保持する保持手段とが設けられた真空
槽と、前記電極および前記基体に電位を印加する印加手
段とから構成されることを特徴とする硬質炭素膜の合成
装置
6. A container having a hot filament for turning raw material gas into plasma and a mesh electrode at the opening thereof and insulated from earth potential, and facing the opening of the container,
An apparatus for synthesizing a hard carbon film, comprising a vacuum chamber provided with a substrate and a holding means for holding the substrate, and an application means for applying a potential to the electrode and the substrate.
【請求項7】  原料ガスをプラズマ化する熱フィラメ
ントと開口部にメッシュ状電極をともない、アース電位
と絶縁された容器と、前記容器の開口部に対向して、基
体および基体を保持する保持手段と、前記容器の開口部
と前記基体保持部の間の周囲がアース電位と絶縁された
部材により取り囲まれた真空槽と、前記電極および前記
基体に電位を印加する印加手段とから構成されることを
特徴とする硬質炭素膜の合成装置
7. A container having a hot filament for turning source gas into plasma and a mesh electrode at the opening and insulated from earth potential, a substrate and a holding means for holding the substrate opposite the opening of the container. and a vacuum chamber whose periphery between the opening of the container and the substrate holder is surrounded by a member insulated from earth potential, and an applying means for applying a potential to the electrode and the substrate. A hard carbon film synthesis device featuring
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5378285A (en) * 1993-02-10 1995-01-03 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Apparatus for forming a diamond-like thin film
CN110306151A (en) * 2019-07-22 2019-10-08 上海妙壳新材料科技有限公司 A kind of high-speed steel self-lubricating coat in use pre-processing device and its application method

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