JPH04329879A - Formation of diamondlike carbon film - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は、たとえば磁気ディスク
,磁気ヘッド,及び光学部品等の保護膜として用いられ
る硬質カーボン膜を形成する方法に関し、特に、ECR
(Electron Cyclotron Reson
ance:電子サイクロトロン共鳴)プラズマCVD法
により硬質カーボン膜を形成する技術に関する。[Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for forming a hard carbon film used as a protective film for magnetic disks, magnetic heads, optical components, etc., and particularly relates to an ECR method.
(Electron Cyclotron Reson
ance: Electron Cyclotron Resonance) The present invention relates to a technique for forming a hard carbon film by a plasma CVD method.
【0002】0002
【従来の技術】一般に、DLC(Diamond Li
ke Carbon )膜は、硬度,絶縁性,熱伝導性
,光透過性,及び化学的安定性等の点においてダイヤモ
ンドに似た優れた性質を有していることから、最近注目
を集めている。このDLC膜の製造には、イオンビーム
法,スパッタリング法,イオンプレーティング法,及び
プラズマCVD法等の各種の方法が用いられている。[Prior Art] Generally, DLC (Diamond Li
KE Carbon) films have recently attracted attention because they have excellent properties similar to diamond in terms of hardness, insulation, thermal conductivity, optical transparency, and chemical stability. Various methods are used to manufacture this DLC film, such as an ion beam method, a sputtering method, an ion plating method, and a plasma CVD method.
【0003】一方、最近、プラズマCVD法の一種とし
て、低温で高品質の膜形成が可能なECRプラズマCV
D法が開発され、すでに実用に供されている。このEC
RプラズマCVD法では、電子サイクロトロン共鳴を励
起することにより低ガス圧下において高密度のプラズマ
を発生させ、このプラズマ流をECRイオン源による発
散磁界で引き出し、基板等の試料に照射して成膜を行っ
ている。On the other hand, recently, as a type of plasma CVD method, ECR plasma CV, which can form high-quality films at low temperatures, has been developed.
Method D has been developed and is already in practical use. This EC
In the R plasma CVD method, high-density plasma is generated under low gas pressure by exciting electron cyclotron resonance, and this plasma flow is extracted by a divergent magnetic field from an ECR ion source and irradiated onto a sample such as a substrate to form a film. Is going.
【0004】0004
【発明が解決しようとする課題】前述したような形成方
法を用いて基板上にDLC膜を形成する場合、反応ガス
として従来からメタンガスが用いられているが、その場
合DLC膜には、1010dyne/cm2 程度の高
い圧縮応力が残留している。このため、DLC膜と基板
、特に金属製基板との密着性が悪く、DLC膜の生成中
に剥離やクラック等が生じるという問題がある。[Problems to be Solved by the Invention] When forming a DLC film on a substrate using the above-mentioned formation method, methane gas has conventionally been used as a reactive gas. A high compressive stress of about cm2 remains. Therefore, there is a problem in that the adhesion between the DLC film and the substrate, especially the metal substrate, is poor, and peeling, cracking, etc. occur during the formation of the DLC film.
【0005】また、メタンを反応ガスとして基板上にD
LC膜を形成する場合、基板に対する付着速度が低いと
いう問題がある。[0005] In addition, D
When forming an LC film, there is a problem in that the rate of adhesion to the substrate is low.
【0006】さらに、ECRプラズマCVD法を用いて
DLC膜を形成しようとする場合、成膜条件が非常に重
要となる。特に、プラズマ室内部に導入されるマイクロ
波のパワー,基板に発生する自己バイアス,及び反応圧
力により大きな影響を受ける。これらの条件のうちマイ
クロ波のパワーについては、反応ガスを分解する必要か
らある程度大きくする必要がある。しかし、あまり大き
くしすぎると、たとえば反応ガスとしてメタンガスを用
いた場合には、メタンガスが分解されすぎて大量のHラ
ジカルが発生し、これが膜中に取り込まれてDLC膜が
生成されない。また自己バイアスについては、イオンの
加速エネルギーを増加させてやる必要からある程度大き
くする必要がある。しかし、あまり大きくしすぎると膜
がグラファイト化して黒鉛状になる場合がある。さらに
反応圧力については、反応を促進させる必要からある程
度高くする必要があり、低すぎる場合には前記マイクロ
波のパワーが過大な場合と同様な現象が発生して、DL
C膜の生成が困難となる。Furthermore, when attempting to form a DLC film using the ECR plasma CVD method, film forming conditions are very important. In particular, it is greatly affected by the power of the microwave introduced into the plasma chamber, the self-bias generated in the substrate, and the reaction pressure. Among these conditions, the power of the microwave needs to be increased to some extent because it is necessary to decompose the reaction gas. However, if it is made too large, for example when methane gas is used as the reaction gas, the methane gas will be decomposed too much and a large amount of H radicals will be generated, which will be taken into the film and no DLC film will be produced. Furthermore, the self-bias needs to be increased to some extent because it is necessary to increase the acceleration energy of the ions. However, if the size is too large, the film may become graphitized and become graphite-like. Furthermore, the reaction pressure needs to be set to a certain level in order to promote the reaction, and if it is too low, a phenomenon similar to the above-mentioned case of excessive microwave power will occur, resulting in DL
It becomes difficult to generate a C film.
【0007】このように、前記条件(マイクロ波パワー
,自己バイアス,反応圧力)いかんによっては基板上に
DLC膜を生成できず、重合膜やグラファイト膜が生成
する場合がある。[0007] As described above, depending on the conditions (microwave power, self-bias, reaction pressure), a DLC film may not be formed on the substrate, and a polymer film or a graphite film may be formed.
【0008】本発明の目的は、基板との密着度が高く、
付着速度が高く、かつ安定してダイヤモンド状カーボン
膜を形成するための方法を提供することにある。The object of the present invention is to have high adhesion to the substrate;
The object of the present invention is to provide a method for stably forming a diamond-like carbon film with a high deposition rate.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ド状カーボン膜形成方法は、炭化水素ガスを反応室に導
入して反応室内を所定の圧力とし、プラズマ室の内部に
マイクロ波を導入して電子サイクロトロン共鳴によるプ
ラズマを発生させるとともに、反応室内に配置された基
板に所定の高周波電圧を印加し、それにより発生する自
己バイアスによりプラズマ中のイオンを前記基板に照射
して、基板上にダイヤモンドカーボン膜を形成するよう
にした方法である。この方法は、炭化水素ガスとしてベ
ンゼンを用いるとともに反応室内の反応圧力を1×10
−3Torr以上としている。[Means for Solving the Problems] A method for forming a diamond-like carbon film according to the present invention includes introducing hydrocarbon gas into a reaction chamber to maintain a predetermined pressure inside the reaction chamber, and introducing microwaves into the inside of the plasma chamber. Plasma is generated by electron cyclotron resonance, and a predetermined high-frequency voltage is applied to the substrate placed in the reaction chamber.The ions in the plasma are irradiated onto the substrate by the self-bias generated thereby, and diamond carbon is deposited on the substrate. This method forms a film. This method uses benzene as the hydrocarbon gas and the reaction pressure in the reaction chamber is set to 1×10
-3 Torr or higher.
【0010】望ましくは、他の条件として、マイクロ波
パワーを200W以下にし、基板に発生する自己バイア
スが−300V以下になるように高周波電圧を印加する
。Preferably, as other conditions, the microwave power is set to 200 W or less, and the high frequency voltage is applied so that the self-bias generated in the substrate is -300 V or less.
【0011】[0011]
【作用】本発明に係るダイヤモンド状カーボン膜形成方
法では、電子サイクロトロン共鳴によるプラズマがプラ
ズマ室内に発生し、このプラズマ流が基板上に照射され
る。このとき、炭化水素としてベンゼンを用いているた
め、従来例のメタンガスを用いたものに比べて、付着速
度は約10倍速くなり、膜生成後の圧縮応力は約1/1
0に低下している。[Operation] In the method for forming a diamond-like carbon film according to the present invention, plasma is generated in a plasma chamber by electron cyclotron resonance, and this plasma stream is irradiated onto a substrate. At this time, since benzene is used as the hydrocarbon, the deposition rate is approximately 10 times faster than the conventional method using methane gas, and the compressive stress after film formation is approximately 1/1
It has decreased to 0.
【0012】一方、マイクロ波のパワーを200W以下
とし、反応圧力を1×10−3Torr以上とすると、
ベンゼンの過剰分解によるHラジカルの大量発生が防止
される。また、基板に発生する自己バイアスが−300
V以下になるように高周波電圧を印加すると、膜のグラ
ファイト化が防止される。On the other hand, when the microwave power is set to 200 W or less and the reaction pressure is set to 1 x 10-3 Torr or more,
Generation of a large amount of H radicals due to excessive decomposition of benzene is prevented. In addition, the self-bias generated in the substrate is -300
When a high frequency voltage is applied to the voltage below V, graphitization of the film is prevented.
【0013】[0013]
【実施例】まず、本発明の一実施例が適用されるECR
プラズマCVD装置について説明する。図1は、ECR
プラズマCVD装置の断面構成図である。図において、
プラズマ室1は、導入されるマイクロ波(周波数2.4
5GHz)に対して空洞共振器となるように構成されて
おり、たとえば直径20cm,高さ20cmの円筒形状
の室である。プラズマ室1には、石英等で構成されたマ
イクロ波導入窓2を介してマイクロ波を導入するための
矩形状断面の導波管3が接続されている。また、プラズ
マ室1の周囲には、プラズマ発生用の磁気回路としての
電磁コイル4a,4bが配設されている。電磁コイル4
a,4bによる磁界の強度は、マイクロ波による電子サ
イクロトロン共鳴の条件がプラズマ室1の内部で成立す
るように決定される。この電磁コイル4a,4bによっ
て、下方に向けて発散する発散磁界が形成される[Example] First, an ECR to which an embodiment of the present invention is applied
A plasma CVD apparatus will be explained. Figure 1 shows the ECR
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a plasma CVD apparatus. In the figure,
The plasma chamber 1 receives microwaves (frequency 2.4
5 GHz), and is a cylindrical chamber with a diameter of 20 cm and a height of 20 cm, for example. A waveguide 3 having a rectangular cross section is connected to the plasma chamber 1 for introducing microwaves through a microwave introduction window 2 made of quartz or the like. Further, around the plasma chamber 1, electromagnetic coils 4a and 4b are arranged as a magnetic circuit for generating plasma. Electromagnetic coil 4
The strength of the magnetic fields a and 4b is determined so that the conditions for electron cyclotron resonance due to microwaves are established inside the plasma chamber 1. A diverging magnetic field that diverges downward is formed by the electromagnetic coils 4a and 4b.
【00
14】プラズマ室1の下方には、反応室5が設けられて
いる。反応室5の下部には、プラズマ室1から引き出さ
れたプラズマ流Mが照射される基板7が基板ホルダ8に
保持されている。基板ホルダ8は支軸9に取り付けられ
ている。また、基板ホルダ8には、支軸9を介して高周
波電源(たとえば周波数13.56MHz)11が接続
されており、これにより基板7に対して所定の高周波電
圧が印加されるようになっている。また、高周波電源1
1は印加する電圧を変えることができるようになってい
る。00
14] Below the plasma chamber 1, a reaction chamber 5 is provided. At the bottom of the reaction chamber 5, a substrate holder 8 holds a substrate 7, which is irradiated with a plasma flow M extracted from the plasma chamber 1. The substrate holder 8 is attached to a support shaft 9. Further, a high frequency power source (eg, frequency 13.56 MHz) 11 is connected to the substrate holder 8 via a support shaft 9, so that a predetermined high frequency voltage is applied to the substrate 7. . In addition, high frequency power supply 1
1 is designed so that the applied voltage can be changed.
【0015】また、基板ホルダ8の上方には、開閉自在
なシャッタ12が設けられている。このシャッタ12の
開度により、プラズマ流Mの基板7への照射を調節し得
るようになっている。また、反応室5の上部側面にはベ
ンゼンガス導入口5aが形成されている。反応室5の下
部には、排気口5bが形成されており、この排気口5b
は図示しない排気系に接続されている。また、反応室5
内の真空圧及び反応圧力は、図示しない真空計により計
測されるようになっている。A shutter 12 that can be opened and closed is provided above the substrate holder 8. By adjusting the opening degree of the shutter 12, the irradiation of the plasma flow M onto the substrate 7 can be adjusted. Furthermore, a benzene gas inlet 5a is formed in the upper side surface of the reaction chamber 5. An exhaust port 5b is formed in the lower part of the reaction chamber 5.
is connected to an exhaust system (not shown). In addition, reaction chamber 5
The vacuum pressure and reaction pressure inside are measured by a vacuum gauge (not shown).
【0016】次に、本装置の作用を説明しながら、ダイ
ヤモンド状カーボン膜の形成方法について説明する。ま
ず、成膜すべき基板7を基板ホルダ8に保持させる。次
に、図示しない排気系によりプラズマ室1及び反応室5
を真空状態にする。そして、ベンゼンガス導入口5aか
ら反応室5内にベンゼン(C6 H6 )ガスを導入す
る。
続いて、プラズマ室1の周囲に設けられた電磁コイル4
a,4bに通電してプラズマ室1内の所定位置での磁束
密度が875ガウスになるようにする。また、このとき
、基板7には高周波電圧を印加しない。この状態から導
波管3を介して周波数2.45GHzのマイクロ波をプ
ラズマ室1に導入し、プラズマ室1内にプラズマを発生
させる。このときのマイクロ波のパワーは200W以下
になるようにする。Next, a method for forming a diamond-like carbon film will be explained while explaining the function of the present apparatus. First, the substrate 7 on which a film is to be formed is held by the substrate holder 8 . Next, the plasma chamber 1 and the reaction chamber 5 are removed by an exhaust system (not shown).
into a vacuum state. Then, benzene (C6 H6) gas is introduced into the reaction chamber 5 from the benzene gas inlet 5a. Next, the electromagnetic coil 4 provided around the plasma chamber 1
A and 4b are energized so that the magnetic flux density at a predetermined position in the plasma chamber 1 becomes 875 Gauss. Further, at this time, no high frequency voltage is applied to the substrate 7. From this state, microwaves with a frequency of 2.45 GHz are introduced into the plasma chamber 1 via the waveguide 3 to generate plasma within the plasma chamber 1. The power of the microwave at this time should be 200W or less.
【0017】このような条件により、プラズマ室1内に
おいては、875ガウスの磁場により回転する電子の周
波数と、マイクロ波の周波数2.45GHzとが一致し
、電子サイクロトロン共鳴を起こす。これにより、電子
はマイクロ波から効率良くエネルギーを吸収し加速する
。加速された電子はガス分子と衝突してガス分子をイオ
ン化させることにより、低圧ガスにて高密度のプラズマ
が発生する。このとき、マイクロ波のパワーを200W
以下にしているので、反応ガスの過剰分解が抑えられ、
Hラジカルの大量発生が防止される。このプラズマ室1
内に発生したプラズマは、電磁コイル4a,4bによっ
て形成される発散磁界の磁力線にそって引き出される。Under these conditions, in the plasma chamber 1, the frequency of the electrons rotated by the 875 Gauss magnetic field matches the microwave frequency of 2.45 GHz, causing electron cyclotron resonance. As a result, electrons efficiently absorb energy from microwaves and accelerate. The accelerated electrons collide with gas molecules and ionize the gas molecules, thereby generating high-density plasma in the low-pressure gas. At this time, increase the power of the microwave to 200W.
As the following is done, excessive decomposition of the reaction gas is suppressed,
Large amounts of H radicals are prevented from being generated. This plasma chamber 1
The plasma generated inside is drawn out along the lines of magnetic force of the diverging magnetic field formed by the electromagnetic coils 4a and 4b.
【0018】次に、高周波電源11から基板7に対し高
周波(13.56MHz)を印加する。そしてシャッタ
12を開く。すると、プラズマ室1から引き出されたプ
ラズマ流が基板7上に照射され、基板7上にダイヤモン
ドカーボン膜が形成される。このとき基板7に発生する
自己バイアスについては、−300V以下になるように
、高周波電力を調整する。基板7に発生する自己バイア
スを前記範囲にしたことにより、膜表面と膜中での反応
が促進されるとともに、基板上に生成される膜のグラフ
ァイト化が防止される。また成膜中においては、反応室
5内の反応圧力が1×10−3Torr以上に維持され
るようにベンゼンガスを導入する。したがって、ベンゼ
ンガスの過剰分解が抑制され、Hラジカルの大量発生が
防止される。Next, a high frequency (13.56 MHz) is applied to the substrate 7 from the high frequency power supply 11. Then, the shutter 12 is opened. Then, the plasma flow drawn out from the plasma chamber 1 is irradiated onto the substrate 7, and a diamond carbon film is formed on the substrate 7. At this time, the high frequency power is adjusted so that the self-bias generated in the substrate 7 is -300V or less. By setting the self-bias generated in the substrate 7 within the above range, reactions on the film surface and in the film are promoted, and at the same time, graphitization of the film formed on the substrate is prevented. During film formation, benzene gas is introduced so that the reaction pressure within the reaction chamber 5 is maintained at 1×10 −3 Torr or higher. Therefore, excessive decomposition of benzene gas is suppressed and generation of a large amount of H radicals is prevented.
【0019】実施例1
前記装置を用いて、ベンゼンガスを100sccm(s
tandard cubic per minutes
)の流量で供給し、マイクロ波のパワーを150W、基
板に発生する自己バイアスを−400V、反応圧力を3
×10−3Torrとした。また、基板として、直径3
インチのシリコンウェハを用いた。Example 1 Using the above apparatus, benzene gas was supplied at 100 sccm (s
standard cubic per minute
), the microwave power was 150 W, the self-bias generated on the substrate was -400 V, and the reaction pressure was 3
×10 −3 Torr. Also, as a substrate, a diameter of 3
An inch silicon wafer was used.
【0020】この結果、5分後、基板全面に厚さ約55
00オングストロームの膜が堆積した。膜の硬度は、H
k(ヌープ硬度)≒1500kg/mm2、屈析率は約
2.4であった。これらの結果及びラマン分光等から、
DLC膜が形成されたと判断した。この膜の圧縮応力は
約8×109 dyne/cm2 であった。As a result, after 5 minutes, a thickness of approximately 55 mm was formed on the entire surface of the substrate.
A film of 0.00 angstroms was deposited. The hardness of the film is H
k (Knoop hardness)≈1500 kg/mm2, and the refractive index was about 2.4. From these results and Raman spectroscopy,
It was determined that a DLC film was formed. The compressive stress of this film was approximately 8×10 9 dyne/cm 2 .
【0021】実施例2
前記実施例1の装置を用いて、ベンゼンガスを100s
ccmの流量で供給し、マイクロ波のパワーを150W
、基板の自己バイアスを−400V、反応圧力を8.5
×10−3Torrとした。また前記実施例1と同様に
、直径約3インチのシリコンウェハを基板として用いた
。Example 2 Using the apparatus of Example 1, benzene gas was heated for 100 seconds.
ccm flow rate and microwave power of 150W
, substrate self-bias at -400V, reaction pressure at 8.5
×10 −3 Torr. Also, as in Example 1, a silicon wafer with a diameter of about 3 inches was used as the substrate.
【0022】この結果、5分後に、基板全面に約500
0オングストロームの膜が堆積した。膜の硬度は、Hk
≒200kg/mm2 、屈析率は2.2であった。こ
れらの結果及びラマン分光等から、ダイヤモンド状カー
ボン膜が形成されたと判断した。なお、この膜の圧縮応
力は約5×109 dyne/cm2 であった。As a result, after 5 minutes, approximately 500
A film of 0 angstroms was deposited. The hardness of the film is Hk
The weight was ≒200 kg/mm2, and the refractive index was 2.2. From these results and Raman spectroscopy, it was determined that a diamond-like carbon film was formed. Note that the compressive stress of this film was approximately 5×10 9 dyne/cm 2 .
【0023】[0023]
【発明の効果】本発明に係るダイヤモンド状カーボン膜
形成方法によれば、反応ガスとしてベンゼンを用いるこ
とで付着速度は高まり、また圧縮応力を減らすことがで
きるので基板へのダイヤモンド状カーボン膜の密着度が
高まる。Effects of the Invention According to the method for forming a diamond-like carbon film according to the present invention, the adhesion speed is increased by using benzene as a reactive gas, and compressive stress can be reduced, so that the diamond-like carbon film can be tightly adhered to the substrate. The degree increases.
【0024】また、本発明に係る望ましいダイヤモンド
状カーボン膜形成方法では、マイクロ波のパワー,基板
の自己バイアス,及び反応室の反応圧力を所定の条件下
にしてダイヤモンド状カーボン膜を生成するようにした
ので、安定してダイヤモンド状カーボン膜を形成するこ
とができる。[0024] Further, in the preferred method for forming a diamond-like carbon film according to the present invention, a diamond-like carbon film is produced under predetermined conditions of microwave power, self-bias of the substrate, and reaction pressure of the reaction chamber. Therefore, a diamond-like carbon film can be stably formed.
【図1】本発明が適用されるダイヤモンド状カーボン膜
形成装置の断面構成図。FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a diamond-like carbon film forming apparatus to which the present invention is applied.
1 プラズマ室 5 反応室 7 基板 1 Plasma chamber 5 Reaction chamber 7 Board
Claims (1)
を所定の圧力とし、プラズマ室の内部にマイクロ波を導
入して電子サイクロトロン共鳴によるプラズマを発生さ
せるとともに、反応室内に配置された基板に所定の高周
波電圧を印加し、それにより発生する自己バイアスによ
りプラズマ中のイオンを前記基板に照射して、基板上に
ダイヤモンド状カーボン膜を形成するようにしたダイヤ
モンドカーボン膜形成方法であって、前記炭化水素ガス
としてベンゼンを用いるとともに、前記反応室内の反応
圧力を1×10−3Torr以上とした、ダイヤモンド
状カーボン膜形成方法。Claim 1: Hydrocarbon gas is introduced into a reaction chamber to maintain a predetermined pressure inside the reaction chamber, microwaves are introduced into the plasma chamber to generate plasma by electron cyclotron resonance, and a A method for forming a diamond-like carbon film in which a predetermined high-frequency voltage is applied to a substrate, and ions in a plasma are irradiated onto the substrate by the self-bias generated thereby, thereby forming a diamond-like carbon film on the substrate. A method for forming a diamond-like carbon film, wherein benzene is used as the hydrocarbon gas, and the reaction pressure in the reaction chamber is set to 1 x 10-3 Torr or more.
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- 1991-04-30 JP JP3128773A patent/JP2808922B2/en not_active Expired - Fee Related
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