JPH06264247A

JPH06264247A - 炭素薄膜形成装置および炭素薄膜形成方法

Info

Publication number: JPH06264247A
Application number: JP5076265A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ito; 健二伊藤
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1994-09-20
Anticipated expiration: 2018-12-02
Also published as: JP3471843B2

Abstract

(57)【要約】目的【目的】平行平板型のプラズマＣＶＤ装置を用いた硬
質炭素薄膜の作製方法において、一定水準以上の膜質を
得るための最適条件を得る。【構成】高周波電源(7) に接続された高周波給電電極
(2) と接地された接地電極(3) との間でプラズマ反応を
起こし、高周波給電電極(2) 側に配置された基体(4) 上
に硬質炭素薄膜を形成する際において、電極間距離(9)
の値ｄと電極(2),(3) の面積Ｓとの比率を概略1/1963〜
1/314 とすることによって、良好な膜質を得る。プラズ
マ反応時において高周波給電電極に加わる自己バイアス
の値を接地電位に対して、-350〜-450Ｖの範囲として成
膜を行うことによって、良好な膜質を有する硬質炭素薄
膜を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、硬質炭素薄膜、あるい
はダイヤモンド状炭素薄膜（以下においてはこれらを
「炭素薄膜」と称する）を形成する薄膜形成装置及び薄
膜形成方法に関するものである。本明細書において、良
好な膜質を有する炭素薄膜というのは、硬度が高いこ
と、基板や基体との密着性が良いこと、化学的に安定な
こと、高い平滑性を有すること、高い絶縁性を有するこ
と、高い耐摩耗性を有すること等、をいうものとする。

【０００２】

【従来の技術】従来より図２に示すような平行平板型の
プラズマＣＶＤ装置が広く知られている。図２におい
て、一対の電極である高周波給電電極(2) と対向接地電
極(3) とを有し、高周波給電電極(2) はブロッキングコ
ンデンサー(11)を介して高周波電源系(7) に接続されて
いる。また高周波電源系(7) の出力の一方は接地（実際
には真空容器(1) に接地される）されており、電気的に
対向接地電極(3) と同電位になっている。また高周波給
電電極(2) と対向接地電極(3) との電極間距離(9)は20
〜60mm程度にとられるのが普通である。なお、以下の明
細書中において高周波というのは13.56MHzの周波数をい
うものとする。

【０００３】成膜される材料を含んだ原料ガスは原料供
給系(6) より供給され、プラズマ気相反応中の圧力は圧
力測定系(5) で測定される。また、プラズマ反応を行う
と、高周波給電電極(2) 側が対向接地電極(3) に対して
負の電位になる。これは、プラズマ中における電子とイ
オンとの移動度（移動のし易さ）の差が原因で、高周波
が印加された電極に電荷が蓄積されるのが原因である。
この現象は、あたかも高周波給電電極(2) 側に負のバイ
アス電圧が印加されているかのごとく理解されるので、
この電位のことを自己バイアスという。また、この電位
は自己バイアスモニター端子(12)を用いて測定される。
また、排気系(8) からは不要な気体の排気がなされる。

【０００４】図２に示す平行平板型のプラズマＣＶＤ装
置は、高周波電源系(7) から供給される高周波によっ
て、高周波給電電極(2) と対向接地電極(3) との間にお
いてプラズマ気相反応をさせ、成膜を行うものである。

【０００５】一般に半導体薄膜や絶縁膜を形成する際に
おいては、基板を対向接地電極(3)側に置き成膜が行わ
れる。これは、高周波給電電極(2) 側に基板を配置した
場合、前述の自己バイアスの作用で正のイオンが高周波
給電電極側に配置された基板へ加速されて突入すること
によるスパッタ効果に起因するダメージを防ぐためであ
る。

【０００６】一方、いろいろな部材の表面保護膜や耐摩
耗膜としてその応用が図られている炭素薄膜を成膜する
方法として、上記のスパッタ効果を有効に活用した成膜
法がある。

【０００７】これは、炭素薄膜の原料となる炭化水素ガ
ス、具体的にはメタン、エタン、プロパン、アルコー
ル、エチレン等を水素ガスと混合し、プラズマＣＶＤ法
で成膜を行う際、上記のスパッタ効果を利用することに
よって、グラファイト成分等の脆い炭素成分をエッチン
グしつつ成膜を行い、結果として高い硬度と高い密着性
を持った炭素膜を成膜する方法である。

【０００８】この場合、図２に示すように基板(4) を高
周波給電電極(2) 側に設置し、成膜を行う。図 2に示す
装置の場合、対向接地電極(3) と真空容器(1) とは同電
位であるので、対向接地電極として作用する電極面積と
しては、真空容器内壁をも含めた部分をも考慮に入れな
ければならない。また、自己バイアスの値は、高周波給
電電極(2) の面積に比較して対向接地電極(3) の面積が
大きい程高くできることが知られている。一般には前述
のように、反応容器(1) の内壁も対向接地電極として働
くので、高周波給電電極(2) の面積を小さくすること
で、高周波給電電極(2) に印加される自己バイアスの値
を高くすることができる。即ち、自己バイアスの値は高
周波給電電極(2) の面積を変化させることで制御するこ
とができるということである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記図２に示す構成を
用いて、硬度が高い、密着性が良い、等の条件を有した
炭素薄膜を成膜しようとする場合、以下の点が問題とな
る。（Ａ）炭素薄膜を成膜する際の、動作圧力、印加する高
周波電力の値、等によって成膜される炭素薄膜の膜質を
制御することができるが、これらのパラメーターの最適
な範囲は明らかでない。（Ｂ）膜質以外の要素である成膜速度を実用上満足させ
た上で一定水準以上の炭素薄膜を得ることができていな
い。（Ｃ）炭素薄膜の膜質の追求のみではなく、成膜時にお
ける基板（基体）へのダメージの低減を考慮しなければ
ならない。概して、高硬度を追求しすぎると、下地への
ダメージが問題となる。そこで本発明は、上記（Ａ）〜（Ｃ）の問題点を解決す
ることを発明の課題とする。

【００１０】

【発明の背景】本発明の着眼点は、まず高い硬度や基体
との優れた密着性といった性質を有する炭素薄膜の物性
を実現するに際して、重要な役割を果たすパラメーター
として、自己バイアスの値に着目したものである。即
ち、炭素膜の膜質を評価する方法として、膜自体の硬度
を測定する方法等があるが、それらの物性を直接測定す
るのではなく、成膜の際の数々のパラメーター（例え
ば、動作圧力、印加電力、自己バイアス値、成膜温度等
々）の中でどのパラメーターが膜質に大きな影響を及ぼ
すのか、言い換えるならばどのパラメーターの値を知れ
ば、その値から成膜される膜質を評価することができる
のか、という認識に立ち、その様なパラメータとして自
己バイアスの値に着目したものである。

【００１１】本発明は、以上のような見地から、必要と
する自己バイアス値を実現することのできる数々の条件
を実験的に見出し、その相関関係を明らかにすることに
より、良好な膜質を有する炭素薄膜を高い成膜速度でも
って安定して得ることのできる作製条件を得たものであ
る。以下（１）〜（４）に実験的に得られた各種パラメ
ータの最適値や相関関係を簡単にまとめて記す。（１）成膜時の圧力は約100Pa を上限として、なるべく
高い方がよい。（２）下地にダメージを与えない自己バイアスの最適値
は-350Ｖ〜-450Ｖの範囲である。（３）良好な膜質を得るための高周波電力の値は２W/cm
²〜3W/cm²程度の範囲が好ましい。（４）上記（１）〜（３）の条件を同時に満足する電極
間距離と電極面積との比（電極間距離／電極面積）は、
およそ1/1963〜1/314 の範囲である。従ってこの（４）で示される条件を満足する成膜条件を
実現することによって、必要とする条件を満たした炭素
薄膜を得ることができる。

【００１２】以下、上記（１）〜（４）に示した各種パ
ラメータの最適条件、またその最適条件を満足する相関
関係の根拠について説明する。

【００１３】〔（１）について〕成膜時の圧力は可能な
限り高い方が良い。なぜならば、成膜雰囲気の圧力が高
いということは、単位体積当たりに含まれる原料ガスの
分子や活性種が多いことを意味し、このことは成膜速度
の向上に大きく寄与するからである。実際、成膜圧力が
大きい程成膜速度が大きく、生産性を高くすることがで
きる。

【００１４】しかしながら、良質な炭素薄膜を成膜する
のに大きな役割を果たすと見られる自己バイアスの値が
約100Pa 以上の圧力においては安定して発生せず、また
成膜が行えても低品質の膜しか得られないことが実験的
に確かめられている。

【００１５】従って、高い成膜速度を維持しつつ再現性
良く炭素膜の成膜を行うには、約100Pa 以下の圧力範囲
においてなるべく高い圧力雰囲気で成膜を行うことが良
いと結論される。

【００１６】〔（２）について〕図３に、自己バイアス
の値と、基板上に成膜された炭素膜の膜質を評価するパ
ラメーターであるビッカース硬度との関係を示す。図３
に示すデータは図１に示す装置によって得られたもので
ある。図１に示す装置は、図２に示す装置と基本的には
同一な構造を有し、各部の構造や役割も図２に示す装置
と同一である。図１に示すプラズマＣＶＤ装置が図２に
示す装置と異なるのは、電極間隔(9) が９mm以下と狭い
ことである。

【００１７】図３に示す自己バイアスの値は、自己バイ
アスモニター端子(12)において、高周波給電電極(2) の
電位が接地電位に対して何ボルトであるか、を測定した
ものである。またビッカース硬度は、炭素膜の硬度を示
すパラメーターであり、ここでは、炭素薄膜の膜質を評
価するパラーメーターとして用いた。勿論炭素薄膜の膜
質をビッカース硬度のみによって評価することはできな
いが、一つの指標として用いることは有効である。

【００１８】図３に示すデータは、図１に示す装置を用
い、反応ガスの種類と流量、電極間距離、成膜基板温
度、を固定して、高周波電力の値と動作圧力とをそれぞ
れ個別に変化させて成膜を行い、その際の自己バイアス
の値と成膜された炭素薄膜のビッカース硬度との関係を
グラフ化したものである。成膜条件を以下に示す。反応ガス：エチレン 200sccm ：水素 50sccm 電極間距離：８mm 基板：直径６インチのSiウェハー基板温度：非加熱

【００１９】図３を見れば明らかなように、ビッカース
硬度と自己バイアスの値には明確な相関関係が見られ
る。ここでビッカース硬度が3000(Kg/mm²)以上を有する
炭素薄膜を有意であると定義するならば、成膜時の自己
バイアスとして約-350V 〜約-500V の範囲で成膜を行え
ば一定水準以上の炭素薄膜が得られる、と結論される。

【００２０】しかしながら、自己バイアスが-450Ｖを越
えると、デポジションモードよりエッチングモードが優
勢となり極端に成膜速度が低下してしまうという問題が
ある。前述のように自己バイアスを積極的に用いる成膜
方法は、硬度の低い不要な成分をエッチングしつつ成膜
を行う方法であるので、エッチングの度合いが高すぎる
と必要とする硬度の高い炭素成分の成膜をも妨げてしま
い、結果として成膜速度が低下してしまうことになる。
従って成膜速度という要素を考慮するならば、図３で示
される自己バイアスの上限値は約-450V することが有効
である。

【００２１】さらにまた、炭素薄膜が表面コーティング
膜として一般に用いられることを考えるならば、当然樹
脂等のイオンの衝撃やイオンの衝撃に従う発熱に弱い下
地を考慮しなければならず、イオン衝撃を必要最小限度
に抑えることも必要である。よって、このことからもエ
ッチングモードが優勢過ぎる成膜は好ましくないと結論
される。

【００２２】以上のことより、ビッカース硬度で測定し
て3000(Kg/mm²)以上の硬度を有する炭素薄膜を得るので
あれば、成膜に際しての自己バイアスの値を-350〜-500
Ｖとすることが適当であり、成膜速度や下地へのダメー
ジを考慮するならば-350〜-450Ｖとすることが適当であ
ると結論される。

【００２３】〔（３）について〕本明細書においては、
高周波電源系(7) から供給される電力(W) を高周波給電
電極(2) の面積(cm²) で割ったものを気相反応のために
投入した電力(W/cm²) と定義する。

【００２４】本発明が解決せんとする課題の一つは、一
定水準以上の膜質を有する炭素薄膜を高い成膜速度でも
って成膜することである。高い成膜速度を得るには、
（１）で示すようになるべく高い動作圧力で成膜するこ
とが好ましい。一方動作圧力を高くした場合、必要とさ
れる高周波電力の値は低くてもよい、ということが実験
的に判明している。例えば動作圧力を110Pa とした場
合、1.0 〜2.7W/cm²の投入電力で3000Kg/mm²以上のビッ
カース硬度を有する炭素薄膜を得られることが分かって
いる。しかしながら、この場合得られる炭素薄膜は、膜
中にクラスター成分を含み、膜質としては必ずしも好ま
しいものではない。しかも動作圧力を100Pa以上とする
ことは、自己バイアスの不安定性、成膜される薄膜の基
体からの剥離、といった問題があるので好ましいもので
はなない。

【００２５】一方、動作圧力が低い場合には、３W/cm²
以上の投入電力を必要とし、基板に対するダメージや低
動作圧力に起因する成膜速度の低下、といったことが問
題となり、やはり好ましいものではない。

【００２６】従って、高い成膜速度が期待でき、しかも
安定した自己バイアスにより良質な膜質が期待できる動
作圧力範囲である50Pa〜100Pa の範囲内で、基板へのダ
メージの低減、基体からの剥離の防止、一定以上のビッ
カース硬度を有する炭素薄膜の成膜、といった条件を実
現するには、２〜３W/cm² 程度の投入電力が適当である
と結論される。

【００２７】〔（４）について〕図１の装置を用いた本
発明者らの実験によれば、電極間距離(9) を変化させる
ことで、高周波給電電極(2) に加わる自己バイアスの値
を変化させれ得ることが判明している。一方、従来より
高周波給電電極(2) の面積を変化させることで、高周波
給電電極(2) に加わる自己バイアスの値を変化させ得る
ことが知られている。

【００２８】そこで本発明者らは、高周波給電電極(2)
と対向接地電極(3) とを円型電極として各種成膜条件で
成膜を行い、その結果を整理検討した。その結果、良好
な膜質を有する炭素膜が得られる場合には、円型電極の
直径と電極間距離(9) との比率に相関関係があることが
判明した。

【００２９】そこで、（電極間距離）／（円型電極の直
径）を横軸にとり、高周波給電電極(2) に加わる自己バ
イアスの値を縦軸にとり、データを整理したものが図４
である。なお、電極は高周波給電電極(2) と対向接地電
極(3) とで同一なものを用い、自己バイアスは自己バイ
アスモニター端子(12)において測定した。

【００３０】反応条件を以下に示すが、この反応条件
は、必要とされる成膜速度を得ることのできる動作圧
力、膜質や下地基板にダメージを与えない投入電力、と
いった望ましい成膜条件である。

【００３１】従って、下記の成膜条件において、十分な
膜質を有する炭素薄膜を得られるのであれば、本発明が
解決しようとする課題が解決されることになる。反応ガス：エチレン 200sccm ：水素 50sccm 動作圧力：70Pa 高周波電力：2.0 W/cm²

【００３２】図４を見ると、（電極間距離）／（円型電
極の直径）の値を1/50〜1/20程度にすることによって、
一定水準以上の炭素薄膜であると判断される指標であ
る、成膜時における-350〜-500V の自己バイアスの値が
得られることが分かる。

【００３３】ここで、半径ｒの円型電極の面積はπｒ²
／４だから、上記関係を電極間距離と電極面積との関係
に直すと、（電極間距離）／（電極面積）の値の範囲
は、およそ1/1963〜1/314 とすればよいことになる。こ
の関係を用いれば、電極として円型以外の形状を有する
ものを用いた場合でも所望の自己バイアスを得ることの
できる電極間隔と電極寸法との関係を算出することがで
きる。

【００３４】例えば、対角Ｌの角型電極（正方形）を用
いる場合、この角型電極の面積はＬ²/２だから、（電極
間距離）／（電極の面積）の値を概略1/491 〜1/254 と
するためには、Ｌ²/２＝1963∴Ｌ≒63、Ｌ²/２＝254 ∴
Ｌ≒25 と計算されるから、（電極間距離）／（角型電
極の対角寸法）の値を概略1/63〜1/25とすれば良いこと
になる。なお、長方形の電極などを用いる場合には、そ
の面積と電極間距離との関係を上記関係に従って算出す
ればよいが、極端な長方形でなければ、その対角寸法Ｌ
から面積をＬ²／２と概算し、上記電極間距離と電極面
積との関係を利用することができる。

【００３５】以上述べたように、高い成膜速度が得られ
る50Pa以上の動作圧力で、一定水準以上の膜質を有する
炭素膜を得るために必要な自己バイアス値を、下地基板
へのダメージの少ない２W/cm²程度の電力値で得るため
には、（電極間距離）／（円型電極の直径）の値を1/50
〜1/20程度に設定して反応を行えば良い、ということが
結論される。

【００３６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記において
説明した発明の背景に基づき行われたもので、以下の内
容を要旨とするものである。

【００３７】〔第１の発明〕第１の発明は、高周波供給
手段に接続された第１の平板電極と、該電極と平行に配
置され接地電位に保たれた第２の平板電極とを有し、前
記高周波供給手段より高周波電力を供給することによ
り、前記第１の電極と第２の電極間においてプラズマ反
応を起こし、前記第１の電極に加わる自己バイアスを利
用して前記第１の電極上に配置された基体上に炭素薄膜
を形成する炭素薄膜形成装置であって、前記第１の電極
と第２の電極とは、直径ｒの円型を有し、前記第１の電
極と第２の電極とは、電極間距離ｄを有して設けられて
おり、前記電極間距離ｄは、前記電極の直径ｒの概略1/
50〜1/20を有し、ていることを特徴とする炭素薄膜形成
装置、を要旨とする。

【００３８】高周波供給手段というのは、13.56MHzのよ
うな高周波をインピーダンス整合装置等を介して供給す
る機能を有する手段をいう。接地電位に保たれた電極と
いうのは、反応が行われる金属性の真空容器や成膜装置
自体が一般に接地電位に保たれており、これらの電位と
同電位に電極の電位が保たれていることをいう。具体的
には、電極を金属性の真空容器に接続することにより実
現される。

【００３９】基体というのは、炭素薄膜が形成される被
形成面を有する材料のことをいい、本発明においては特
に限定されるものではない。言い換えるならば、本発明
は、広範囲な材料に対して炭素薄膜を形成することので
きる技術に関するものであるので、必要とする材料を基
体として用いることができる。

【００４０】円型電極の直径ｒと電極間距離との関係を
限定したのは、前述の発明の背景の項で説明したよう
に、有意な膜質を有する炭素薄膜を得るための条件を実
験的に見出したことによる。

【００４１】〔第２の発明〕第２の発明は、上記第１の
発明の炭素薄膜形成装置を用いた成膜方法であって、動
作圧力を50〜100Pa 、第１の電極と第２の電極間に加え
る高周波電力を２〜３W/cm²として第１の電極上に配置
された基体上に炭素薄膜を形成することを特徴とする炭
素薄膜形成方法、を要旨とする。

【００４２】この第２の発明において、動作圧力と電極
間に加える高周波電力の値とを特定の数値範囲に限定し
たのは、一定水準以上の膜質を有し、基板や基体となる
下地への低ダメージ性、成膜速度の確保、といった有意
性を有する炭素薄膜の形成を行うための条件を実験的に
見出したことによる。なお、一定水準以上の膜質とは、
成膜された炭素膜において、ビッカース硬度で3000Kg/m
m²以上の膜質を有し、さらに剥離の有無や内部応力の少
なさ、といったことが問題とならないことをいう。

【００４３】〔第３の発明〕第３の発明は、高周波供給
手段に接続された第１の平板電極と、該電極と平行に配
置された接地電位に保たれた第２の平板電極とを有し、
前記高周波供給手段より高周波電力を供給することによ
り、前記第１の電極と第２の電極間においてプラズマ反
応を起こし、前記第１の電極に加わる自己バイアスを利
用して前記第１の電極上に配置された基体上に炭素薄膜
を形成する炭素薄膜形成装置であって、前記第１の電極
と第２の電極とは、対角Ｌの角型を有し、前記第１の電
極と第２の電極とは、電極間距離ｄを有して設けられて
おり、前記電極間距離ｄは、前記電極の対角Ｌの概略1/
63〜1/25を有し、ていることを特徴とする炭素薄膜形成
装置、を要旨とする。上記第３の発明においては、電極
として対角Ｌを有する角型というのは、概略正方形を有
する（１辺がＬ(1/2)^1/2）電極のことをいう。

【００４４】〔第４の発明〕第４の発明は、上記第３の
発明の炭素薄膜形成装置を用いた成膜方法であって、動
作圧力を50〜100Pa 、第１の電極と第２の電極間に加え
る高周波電力を２〜３W/cm²として第１の電極上に配置
された基体上に薄膜を形成することを特徴とする炭素薄
膜形成方法、を要旨とするものである。この第４の発明
も、上記第３の発明の構成を有する炭素薄膜形成装置を
用いる場合には、上記のような成膜条件において有意な
膜質が得られる、という実験事実に基づくものである。

【００４５】〔第５の発明〕第５の発明は、高周波供給
手段に接続された第１の平板電極と、該電極と平行に配
置された接地電位に保たれた第２の平板電極とを有し、
前記高周波供給手段より高周波電力を供給することによ
り、前記第１の電極と第２の電極間においてプラズマ反
応を起こし、前記第１の電極に加わる自己バイアスを利
用して前記第１の電極上に配置された基体上に炭素薄膜
を形成する炭素薄膜形成装置であって、前記第１の電極
と第２の電極とは、それぞれ同じ面積Ｓを有し、前記第
１の電極と第２の電極とは、電極間距離ｄを有して設け
られており、前記電極間距離ｄは、前記電極の面積Ｓの
概略1/1963〜1/314 を有し、ていることを特徴とする炭
素薄膜形成装置、を要旨とするものである。この第５の
発明は、電極面積と電極間隔との関係において、上記の
有意な関係が存在することを実験的に見出したことに基
づくものである。

【００４６】〔第６の発明〕第６の発明は、上記第５の
発明の炭素薄膜形成装置を用いた成膜方法であって、動
作圧力を50〜100Pa 、第１の電極と第２の電極間に加え
る高周波電力を２〜３W/cm²、として成膜を行い、第１
の電極上に配置された基体上に炭素薄膜を形成すること
を特徴とする炭素薄膜形成方法、を要旨とするものであ
る。

【００４７】〔第７の発明〕第７の発明は、第１の平板
電極には高周波供給手段が接続され、第２の平板電極は
接地された構成を有する一対の電極間に、前記高周波供
給手段より高周波電力を供給してプラズマを発生させ、
前記第１の電極上に配置された基体上に炭素薄膜を形成
する方法であって、前記第１の電極の電位を、接地電位
に対して-350〜-500Ｖの範囲として、成膜を行うことを
特徴とする炭素薄膜形成方法、を要旨とするものであ
る。この第７の発明は、炭素薄膜の成膜時において、基
体が配置された電極の接地電位に対する電位（自己バイ
アスの値）を-350〜-500Ｖとして成膜を行うことによっ
て、有意な膜質を有する炭素薄膜を得ることのできるこ
とを実験的に見出したことに基づくものである。

【００４８】〔第８の発明〕第８の発明は、前記第９の
発明において、第１の電極の電位を、接地電位に対して
-350〜-450Ｖとすることによって、高い成膜速度、成膜
時における下地へのダメージの低減、といった有用さを
得られることに基づくものである。

【００４９】〔第９の発明〕第９の発明は、前記第７の
発明において、反応ガスとして炭化水素ガスと水素ガス
とを用い、動作圧力を50Pa〜100Pa 、供給する高周波電
力を２〜３W/cm²、として成膜を行い、炭素薄膜を成膜
することを特徴とする炭素薄膜形成方法、を要旨とする
ものである。この第９の発明は、上記自己バイアスの値
を-350〜-500Ｖとして有意な炭素薄膜の成膜を行うに
は、反応ガスとして炭化水素ガスと水素ガスとを用い、
成膜条件を上記条件とすることが有効であることを実験
的に確かめたことに基づくものである。

【００５０】上記炭化水素ガスとしてはエチレン、メタ
ン、ブタン、エタン、アルコール等を用いることができ
る。また成膜の際、炭化水素ガスと水素ガスの他に炭素
薄膜中に不純物を添加するために、他の反応性気体を導
入することも有効である。

【００５１】〔第１０の発明〕第１０の発明は、上記第
９の発明の構成を採用することによって得られる炭素薄
膜がビッカース硬度で測定して、3000Kg/mm²以上であ
る、ということを特徴とするものである。

【００５２】ビッカース硬度は薄膜の硬度を示すパラメ
ータであり、炭素薄膜の膜質全てを評価することのでき
るものでないが、本発明においては、3000Kg/mm²以上の
ピカース硬度を有する炭素薄膜を一応有意な膜質である
と定義する。

【００５３】

【作用】電極寸法と電極間隔を特定の数値関係の範囲内
とすることによって、高い成膜速度、一定水準以上の膜
質、下地へのダメージの低減、といった条件を満足した
炭素薄膜を得ることができる。

【００５４】

【実施例】以下において、図１で示されるプラズマＣＶ
Ｄ装置を用いて、本発明の成膜条件内において炭素薄膜
を形成した例を示す。

【００５５】〔プラズマＣＶＤ装置について〕図１に以
下の実施例において用いたプラズマＣＶＤ装置を示す。
この装置の基本構造は、図２に示す従来からのプラズマ
ＣＶＤ装置と同じであるが、電極間距離(9) が９mm以下
と狭く設定してあるのが特徴である。

【００５６】図１において、内部でプラズマ反応を行う
ための真空容器(1) 、高周波電源系よりブロッキングコ
ンデンサー(11)を介して供給される高周波(13,56MHz)に
よってプラズマ領域(10)を形成するための一対の電極
(2),(3) 、反応ガスや原料ガス、さらにはキャリアガス
や希釈ガスを供給するための原料供給系(6) 、不要な気
体を排気するための排気系(8) 、成膜が行われる基板あ
るいは基体(4) 、反応容器内の圧力を測定するための圧
力測定系(5) 、プラズマ反応時に電極(2) に加わる自己
バイアスを測定するための自己バイアスモニター端子(1
2)を備えている。また電極(2) を高周波供給電極、電極
(3) を対向接地電極という。高周波電源系(7) の出力の
一方と、対向接地電極(3) とは真空容器(1) に接地され
ている。

【００５７】〔実施例１〕本実施例は、電極(2),(3) と
して同じ寸法形状の角形のものを用い、その対角寸法Ｌ
と電極間距離ｄとの関係をＬ／ｄ＝1/30とした場合の例
である。炭素薄膜の成膜は以下の条件で行った。反応ガス：エチレン純度９９．９９％２０
０SCCM 水素純度９９．９９９％５０SCCM 高周波電力：２．２Ｗ／cm²(13.56MHz) 電極寸法：180mm ×180mm （対角255mm の角型）電極間距離：8.5mm 動作圧力：７５Pa 基板：厚さ0.5mm 、直径６インチのSiウェハ基板温度：非加熱反応時間：２min 自己バイアス：-380Ｖ形成速度：１．７μｍ／min ビッカース高度：3900Kg/mm²

【００５８】この時、反応時間を２min としたので、Si
ウェハー上には約３．４μｍのダイヤモンド状炭素薄膜
が形成された。このダイヤモンド状炭素薄膜は、基板か
らの剥離が全く認められず、全面に均一に形成されてい
た。さらに、ビッカース硬度を測定したところ非常に明
瞭な圧痕が生じ、算式により３９００kg／mm²の硬度を
有することが判明した。

【００５９】また、上記成膜条件において、水素ガスの
みを200sccm 導入し、２W/cm²の高周波電力でプラズマ
反応を行った場合の動作圧力の値と自己バイアスモニタ
ー端子(12)で測定した自己バイアスの値との関係を図５
の黒丸で示す。この図から所望の自己バイアス値である
-350〜-450Ｖが約50Pa以上で得られていることが分か
る。

【００６０】〔比較例１〕比較例は、図２に示す従来か
らの装置を用い、実施例１に示す条件において、水素ガ
スのみを200sccm 導入し、２W/cm²の高周波電力(13.56
MHz)で気相反応を行った場合の動作圧力の値と自己バイ
アスモニター端子(12)で測定した自己バイアスの値との
関係を調べたものである。なお電極間隔(9) は30mmであ
る。

【００６１】本比較例で得られたデータを図５の白丸で
示す。この場合、動作圧力を実施例１と同様な75Paとす
ると、自己バイアスが−２３０Ｖに低下し、有効な成膜
ができないことが分かる。事実、動作圧力75Pa、反応時
間２min の条件で得られた炭素薄膜は、約0.6 μｍの膜
厚を有していたが、ビッカース硬度は２１００kg／mm²
であり、成膜速度、硬度共に満足できるものではない。

【００６２】〔比較例２〕実施例１の反応条件におい
て、動作圧力のみを２０Paにしたところ自己バイアスが
−５２０Ｖとなった。成膜された薄膜は、ハクリが顕著
に見られ、また被膜自体の残留内部応力の増加により、
膜厚及びビッカース硬度等の評価ができなかった。この
ことは、自己バイアスが高過ぎ、デポジションモードよ
りエッチングモードが支配的となること、自己バイアス
の作用によるイオン衝撃が大きいこと等、が原因である
と考えられる。

【００６３】〔実施例２〕実施例１に示す成膜条件にお
いて、反応ガスの混合比、高周波電力の値、動作圧力の
値、電極間距離を単独に可変した条件で成膜を行った例
を以下〔実施例２〜実施例６〕として示す。なお成膜装
置は図１に示すものを用い、電極構造、電極間隔は、実
施例１と同様である。

【００６４】以下に成膜条件を示す。反応ガス：エチレン純度９９．９９％２００
SCCM 水素純度９９．９９９％５SCCM 高周波電力：２．２Ｗ／cm²(13.56MHz) 電極寸法：180mm ×180mm （対角255mm の角形）電極間距離：8.5 mm 動作圧力：７５Pa 基板：厚さ0.5mm 、直径６インチのSiウェハ基板温度：非加熱反応時間：２min 自己バイアス：-355Ｖ成膜速度：2.1 μｍ／min

【００６５】得られた炭素薄膜のビッカース硬度は、33
50Kg/mm²であった。実施例１と成膜条件が異なるのは、
水素をエチレンに対して２５％の添加量から2.5 ％に下
げたことであるが、この結果自己バイアスの値がわずか
に低くなり、成膜速度は大きくなり、またビッカース硬
度は低くなった。

【００６６】〔実施例３〕本実施例は、実施例１の成膜
条件において高周波電力の値のみを2.8W/cm²として成膜
を行った例である。以下に各種パラメータを列挙する。高周波電力：2.8 W/cm² 自己バイアス：-430Ｖ成膜速度：1.95μｍ／min ビッカース硬度：4600Kg/min 本実施例の場合、高周波電力の値を実施例１の2.2W/cm²
より高くすることで、成膜速度を高くすることができ、
ビッカース硬度も4600Kg/cm²とかなり大きくすることが
できた。

【００６７】〔実施例４〕本実施例は、実施例１の成膜
条件において、動作圧力を55Paとした場合の例である。
以下に各種パラメーターを列挙する。動作圧力：55Pa 自己バイアス：-420Ｖ成膜速度：1.45μｍ/min ビッカース硬度：4250Kg/mm² 本実施例においては、動作圧力を実施例１の75Paから55
Paと低くすることで、成膜速度が、1.7 μｍから1.45μ
ｍへと低下したが、得られた炭素薄膜のビッカース硬度
は4250Kg/mm²と高くすることができた。

【００６８】〔実施例５〕本実施例は、実施例１の作製
条件において、動作圧力を95Paと高くしたものである。
以下に各種パラメーターを列挙する。動作圧力：95Pa 自己バイアス：-350Ｖ成膜速度：2.3 μｍ/min ビッカース硬度：3050Kg/mm² 本実施例の場合、動作圧力を高くしたことにより、成膜
速度を高くすることはできたが、膜質を評価するパラメ
ーターであるビッカース硬度は、実施例１に比較して低
下してしまう結果となった。

【００６９】〔実施例６〕本実施例は実施例１の成膜条
件において、基板間距離を5 mmとした例である。即ち、
（基板間距離）／（角型電極の対角距離）の値を約51と
した例である。電極間距離：５mm 自己バイアス：-480Ｖ成膜速度：1.２μｍ／min ビッカース高度：3400Kg/mm²

【００７０】基板距離を５mmと小さくすることにより、
一定水準以上の炭素薄膜を得ることができた。しかし、
これ以上電極間隔(9) を小さくすることは、技術的に困
難であった。これは、・電極間距離(9) が短くなることによって、対向接地電
極側に成膜される脆い炭素成分の影響を基体表面が受け
てしまう。・電極間距離(9) が５mm以下になると、電極の平行性、
平面性、基板の配置精度等が放電の仕方に影響するの
で、安定したプラズマが生成できなくなり、成膜の再現
性が困難になる。・基板の配置方法や配置作業が困難になる。・電極間に対する原料ガスの均一な供給が困難になるの
で、成膜の再現性がとれなくなる。等の問題があるからである。

【００７１】従って、実際の使用にあたっての基板間距
離の最小値は５mm程度である、ということが結論され
る。

【００７２】

【発明の効果】プラズマ反応時の自己バイアスを-350〜
-500V の範囲内として成膜を行なうことによって、一定
水準以上の膜質を有する炭素薄膜を得ることができる。
また、一対の電極の寸法と電極間距離との比率を特定の
値に設定することにより、一定水準以上の膜質を、高い
成膜速度、プラズマによるダメージの低減、といった条
件を満足した上で得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例において用いられる高周波プラズマＣ
ＶＤ装置の内部構造を示す断面図である。

【図２】従来より用いられている高周波プラズマＣＶＤ
装置の内部構造を示す断面図である。

【図３】成膜時の自己バイアスの値と成膜された炭素薄
膜のビッカース硬度との関係を示す。

【図４】電極として円型電極を用いた場合における（電
極間隔）／（円型電極の直径）の値とプラズマ反応時の
自己バイアスの値との関係とを示す。

【図５】実施例と比較例における動作圧力と自己バイア
スとの関係を示す。

【符号の説明】

１真空容器２高周波給電電極３対向接地電極４基板５圧力測定系６原料供給系７高周波電源系８排気系９電極間距離 10 プラズマ領域 11 ブロッキングコンデンサー 12 自己バイアスモニター端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波供給手段に接続された第１の平板
電極と、該電極と平行に配置され接地電位に保たれた第
２の平板電極とを有し、前記高周波供給手段より高周波電力を供給することによ
り、前記第１の電極と第２の電極間においてプラズマ反
応を起こし、前記第１の電極に加わる自己バイアスを利
用して前記第１の電極上に配置された基体上に炭素薄膜
を形成する炭素薄膜形成装置であって、前記第１の電極と第２の電極とは、それぞれ直径ｒの円
型を有し、前記第１の電極と第２の電極とは、電極間距離ｄを有し
て設けられており、前記電極間距離ｄは、前記電極の直径ｒの概略1/50〜1/
20を有し、ていることを特徴とする炭素薄膜形成装置。
【請求項２】請求項１の炭素薄膜形成装置において、動作圧力を50〜100Pa 、第１の電極と第２の電極間に加
える高周波電力を２〜３W/cm²として、第１の電極上に
配置された基体上に炭素薄膜を形成することを特徴とす
る炭素薄膜形成方法。
【請求項３】高周波供給手段に接続された第１の平板
電極と、該電極と平行に配置された接地電位に保たれた
第２の平板電極とを有し、前記高周波供給手段より高周波電力を供給することによ
り、前記第１の電極と第２の電極間においてプラズマ反
応を起こし、前記第１の電極に加わる自己バイアスを利
用して前記第１の電極上に配置された基体上に炭素薄膜
を形成する炭素薄膜形成装置であって、前記第１の電極と第２の電極とは、それぞれ対角Ｌの角
型を有し、前記第１の電極と第２の電極とは、電極間距離ｄを有し
て設けられており、前記電極間距離ｄは、前記電極の対角Ｌの概略1/63〜1/
25を有し、ていることを特徴とする炭素薄膜形成装置。
【請求項４】請求項３の炭素薄膜形成装置において、動作圧力を50〜100Pa 、第１の電極と第２の電極間に加
える高周波電力を２〜３W/cm²として、第１の電極上に
配置された基体上に薄膜を形成することを特徴とする炭
素薄膜形成方法。
【請求項５】高周波供給手段に接続された第１の平板
電極と、該電極と平行に配置された接地電位に保たれた
第２の平板電極とを有し、前記高周波供給手段より高周波電力を供給することによ
り、前記第１の電極と第２の電極間においてプラズマ反
応を起こし、前記第１の電極に加わる自己バイアスを利
用して前記第１の電極上に配置された基体上に炭素薄膜
を形成する炭素薄膜形成装置であって、前記第１の電極と第２の電極とは、それぞれ面積Ｓを有
し、前記第１の電極と第２の電極とは、電極間距離ｄを有し
て設けられており、前記電極間距離ｄは、前記電極の面積Ｓの概略1/1963〜
1/314 を有し、ていることを特徴とする炭素薄膜形成装置。
【請求項６】請求項５の炭素薄膜形成装置において、動作圧力を50〜100Pa 、第１の電極と第２の電極間に加
える高周波電力を２〜３W/cm²として、第１の電極上に
配置された基体上に炭素薄膜を形成することを特徴とす
る炭素薄膜形成方法。
【請求項７】第１の平板電極には高周波供給手段が接
続され、第２の平板電極は接地された構成を有する一対
の電極間に、前記高周波供給手段より高周波電力を供給
してプラズマを発生させ、前記第１の電極上に配置され
た基体上に炭素薄膜を形成する方法であって、前記第１の電極の電位を、接地電位に対して-350〜-500
Ｖの範囲として、成膜を行うことを特徴とする炭素薄膜
形成方法。
【請求項８】請求項７において、第１の電極の電位
を、接地電位に対して-350〜-450Ｖの範囲として、成膜
を行うことを特徴とする炭素薄膜形成方法。
【請求項９】請求項７において、反応ガスとして炭化
水素ガスと水素ガスを用い、動作圧力を50Pa〜100Pa 、
供給する高周波電力を２〜３W/cm²として、炭素薄膜を
形成することを特徴とする炭素薄膜形成方法。
【請求項１０】請求項８において、3000Kg/mm²以上の
ビッカース硬度を有する炭素薄膜を形成することを特徴
とする炭素薄膜形成方法。