JPH08165196A - Diamond-like coating layer formation and equipment therefor - Google Patents

Diamond-like coating layer formation and equipment therefor

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JPH08165196A
JPH08165196A JP29824193A JP29824193A JPH08165196A JP H08165196 A JPH08165196 A JP H08165196A JP 29824193 A JP29824193 A JP 29824193A JP 29824193 A JP29824193 A JP 29824193A JP H08165196 A JPH08165196 A JP H08165196A
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diamond
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Abstract

PURPOSE: To provide a method and equipment for forming diamond-like coated film at increased film formation rate compared with the conventional process by increasing the reaction gas ionization efficiency and the neutralization properties without enlargement of the installation. CONSTITUTION: Arc discharge plasma flow 9 is generated toward the anode 19 arranged in the vacuum chamber 8 and a reaction gas containing carbon atoms is fed from the anode 19 into the arc discharge plasma flow 9. At the same time, a prescribed high-frequency voltage is applied to the base plate 16 arranged in the vacuum chamber 8 to form this diamond-like coated film on the base 16.

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、電気かみそり刃、半導
体材料、磁気ヘッド、各種機器の摺動部などの特性の向
上、及び表面保護の目的でダイヤモンド状被膜を形成す
るものに関し、特に、アーク放電プラズマ流を用いてダ
イヤモンド状被膜を形成する方法及びその装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diamond-like film formed for the purpose of improving the characteristics of electric razor blades, semiconductor materials, magnetic heads, sliding parts of various devices, etc., and protecting the surface, and more particularly, The present invention relates to a method and an apparatus for forming a diamond-like coating by using an arc discharge plasma flow.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、ダイヤモンド状被膜形成方法とし
て、イオンビームスパッタ法、イオンプレーティング
法、及びプラズマCVD法などが用いられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an ion beam sputtering method, an ion plating method, a plasma CVD method and the like have been used as a diamond-like film forming method.

【0003】そして、近年、従来法に比べて大面積部分
に低温で均一な被膜形成が可能なECRプラズマCVD
法が、特開平3−64468号公報などに示されるよう
に提案されており、既に実用に供されている。このEC
RプラズマCVD法は、ECRイオン源において、電子
サイクロトロン共鳴を起こさせ、これにより高密度のプ
ラズマを発生させるとともに、発散磁界を利用してプラ
ズマ流を基板に照射して成膜するものである。
In recent years, ECR plasma CVD capable of forming a uniform film at a low temperature on a large area as compared with the conventional method.
The method has been proposed as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-64468 and has already been put to practical use. This EC
The R plasma CVD method is a method in which electron cyclotron resonance is caused in an ECR ion source to generate high-density plasma, and a plasma flow is applied to a substrate by utilizing a divergent magnetic field to form a film.

【0004】しかしながら、上記ECRプラズマCVD
法では、被膜形成可能範囲が基板に照射されるプラズマ
流の大きさに限定されるため、被膜の大面積化に限界が
あった。
However, the above ECR plasma CVD
In the method, the range in which the film can be formed is limited by the size of the plasma flow that irradiates the substrate, and thus there is a limit in increasing the area of the film.

【0005】このため、最近では上記ECRプラズマC
VD法よりさらに大面積化が可能な被膜形成方法とし
て、アーク放電プラズマ流発生源を用いたイオンプレー
テング法が特開平1−259163号公報、及び「真空 第25巻
第12号 第781頁〜第787頁(1982年発行)」などで提案
されている。
For this reason, recently, the above ECR plasma C
As a film forming method capable of further increasing the area than the VD method, an ion plating method using an arc discharge plasma flow source is disclosed in JP-A-1-259163 and "Vacuum Vol. 25, No. 12, page 781-". Page 787 (published in 1982) ”and the like.

【0006】図5に、このイオンプレーテング装置の構
成図を示す。1はアーク放電プラズマ流発生源としての
圧力勾配型プラズマガンであり、陰極2、第1中間電極
3、及び第2中間電極4から構成されている。
FIG. 5 shows a block diagram of this ion plating apparatus. Reference numeral 1 denotes a pressure gradient type plasma gun as an arc discharge plasma flow generation source, which includes a cathode 2, a first intermediate electrode 3, and a second intermediate electrode 4.

【0007】第1中間電極3、及び第2中間電極4は、
陰極2と陽極に相当するハース5との間に介在され、第
1中間電極3は環状永久磁石6を内蔵し、第2中間電極
4は空芯コイル7を内蔵している。そして、圧力勾配型
プラズマガン1から真空チャンバ8内へアーク放電プラ
ズマ流9を発生している。10は陰極2とハース5との間
で放電を開始させ、定常的に放電を維持するための放電
電源である。11はアーク放電プラズマ流9に対して負の
バイアス電圧をかける直流電源、12は圧力勾配型プラズ
マガン1に放電ガスを導入する放電ガス導入口、13は被
膜形成する場合に必要な反応ガスを供給する反応ガス導
入口、14はアーク放電プラズマ流9をハース5に集束さ
せるための磁石、15は真空チャンバ8内を10-5〜10-7To
rrに排気させる排気口、16は直流電源11からの負のバイ
アス電圧が裏面に加えられ、その表面に被膜を形成する
基板である。
The first intermediate electrode 3 and the second intermediate electrode 4 are
The first intermediate electrode 3 contains a ring-shaped permanent magnet 6 and the second intermediate electrode 4 contains an air-core coil 7, which are interposed between the cathode 2 and the hearth 5 corresponding to the anode. Then, the arc discharge plasma flow 9 is generated from the pressure gradient type plasma gun 1 into the vacuum chamber 8. Reference numeral 10 denotes a discharge power supply for starting discharge between the cathode 2 and the hearth 5 and constantly maintaining discharge. Reference numeral 11 is a DC power source for applying a negative bias voltage to the arc discharge plasma flow 9, 12 is a discharge gas inlet for introducing a discharge gas into the pressure gradient plasma gun 1, and 13 is a reaction gas necessary for forming a film. A reaction gas inlet to be supplied, 14 is a magnet for focusing the arc discharge plasma flow 9 on the hearth 5, and 15 is 10 −5 to 10 −7 To inside the vacuum chamber 8.
An exhaust port 16 for exhausting to rr is a substrate on which a negative bias voltage from the DC power supply 11 is applied to the back surface to form a film on the front surface.

【0008】また、この圧力勾配型プラズマガン1は、
陽極領域からのイオンの逆流による陰極の損傷が無い上
に、中間電極の無い放電形式のもの比べて、アーク放電
プラズマ流を作り出すための放電ガスのガス効率が極め
て高く、大電流放電が可能であるため、容易に被膜の大
面積化が実現できるという利点を有している。
Further, the pressure gradient type plasma gun 1 is
There is no damage to the cathode due to the backflow of ions from the anode region, and the gas efficiency of the discharge gas for creating an arc discharge plasma flow is extremely high compared to the discharge type without an intermediate electrode, and a large current discharge is possible. Therefore, there is an advantage that the coating film can be easily increased in area.

【0009】そして、基板16上に被膜形成する場合に、
先ず圧力勾配型プラズマガン1から、放電ガス導入口12
から供給された放電ガスのアーク放電プラズマ流9をハ
ース5に集中させる。そして、アーク放電プラズマ流9
の集中によりハース5において発生した蒸着物質のイオ
ンが負にバイアスされた基板16に向かって放射されると
同時に、反応ガス導入口13から供給された反応ガスがア
ーク放電プラズマ流9を通り、イオン化、又は中性化さ
れた状態で基板16に向かって放射され、基板16上に蒸着
物質のイオンと反応ガスとの化合物被膜が形成される。
When a film is formed on the substrate 16,
First, from the pressure gradient type plasma gun 1 to the discharge gas inlet 12
The arc discharge plasma flow 9 of the discharge gas supplied from the is concentrated on the hearth 5. Then, the arc discharge plasma flow 9
At the same time that the ions of the deposition material generated in the hearth 5 are radiated toward the negatively biased substrate 16 due to the concentration of the gas, the reaction gas supplied from the reaction gas inlet 13 passes through the arc discharge plasma flow 9 and is ionized. , Or in a neutralized state, is radiated toward the substrate 16 to form a compound film of the ions of the deposition material and the reaction gas on the substrate 16.

【0010】一方、このアーク放電プラズマ流発生源を
用いてダイヤモンド状被膜を形成する場合には、ハース
5から蒸着物質を放射させず、反応ガス導入口13から真
空チャンバ8内に炭素原子を含む反応ガスを供給するこ
とにより、アーク放電プラズマ流9の作用により反応ガ
スが分解され、基板上にダイヤモンド状被膜を形成する
ことが可能であった。
On the other hand, when a diamond-like coating is formed by using this arc discharge plasma flow generation source, the vapor deposition substance is not emitted from the hearth 5 and carbon atoms are contained in the vacuum chamber 8 from the reaction gas introduction port 13. By supplying the reaction gas, it was possible to decompose the reaction gas by the action of the arc discharge plasma flow 9 and form a diamond-like coating on the substrate.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来装置では、反応ガス導入口13から真空チャンバ8内に
反応ガスを導入させているため、アーク放電プラズマ流
9中を通過せず、イオン化、又は中性化されていない反
応ガスが真空チャンバ8内に多量に残存することとな
り、反応ガスのイオン化、又は中性化効率が低かった。
However, in the above-mentioned conventional apparatus, since the reaction gas is introduced into the vacuum chamber 8 from the reaction gas introduction port 13, it does not pass through the arc discharge plasma flow 9 and is ionized, or A large amount of non-neutralized reaction gas remains in the vacuum chamber 8, and the ionization or neutralization efficiency of the reaction gas was low.

【0012】従って、所望の成膜速度でダイヤモンド状
被膜を形成するためには、反応ガス導入口13から多量の
反応ガスを供給すると共に、大型の排気ポンプにより排
気させなければならず、装置の大型化を招来していた。
Therefore, in order to form a diamond-like film at a desired film-forming rate, a large amount of reaction gas must be supplied from the reaction gas inlet 13 and exhausted by a large exhaust pump. It had led to an increase in size.

【0013】本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので
あって、反応ガスのイオン化効率、又は中性化効率を高
め、装置を大型化することなく、従来法より成膜速度を
高めたダイヤモンド状被膜形成方法及び装置を提供する
ことを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the ionization efficiency or the neutralization efficiency of the reaction gas is increased, and the film formation rate is increased as compared with the conventional method without increasing the size of the apparatus. An object of the present invention is to provide a diamond-like film forming method and apparatus.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明のダイヤモンド状
被膜形成方法は、真空チャンバ内に配置された陽極に向
けてアーク放電プラズマ流を発生させ、前記陽極から前
記アーク放電プラズマ流中に炭素原子を含む反応ガスを
供給すると同時に、前記真空チャンバ内に配置された基
板に所定の高周波電圧を印加して、該基板上にダイヤモ
ンド状被膜を形成することを特徴とする。
According to the method for forming a diamond-like coating of the present invention, an arc discharge plasma flow is generated toward an anode arranged in a vacuum chamber, and carbon atoms are introduced from the anode into the arc discharge plasma flow. At the same time as supplying the reaction gas containing the above, a predetermined high frequency voltage is applied to the substrate arranged in the vacuum chamber to form a diamond-like film on the substrate.

【0015】また、前記陽極は前記基板に対向配置さ
れ、該陽極に設けられた反応ガス導入手段から前記基板
に向けて前記反応ガスをシャワー状に供給させてもよ
い。
The anode may be arranged so as to face the substrate, and the reaction gas may be supplied in a shower shape from the reaction gas introduction means provided in the anode toward the substrate.

【0016】更に、前記高周波電圧の印加により、前記
基板に発生する自己バイアスを前記アーク放電プラズマ
に対して−200V以下に設定してもよい。
Further, the self-bias generated on the substrate by applying the high frequency voltage may be set to -200 V or less with respect to the arc discharge plasma.

【0017】次に、本発明のダイヤモンド状被膜形成装
置は、真空チャンバと、該真空チャンバ内にアーク放電
プラズマ流を発生させるアーク放電プラズマ流発生源
と、該アーク放電プラズマ流発生源から発生したアーク
放電プラズマ流が集中するように、該アーク放電プラズ
マ流発生源との間にアーク放電を形成する陽極と、該陽
極に設けられ、前記アーク放電プラズマ流中に炭素原子
を含む反応ガスを供給する反応ガス導入手段と、前記ア
ーク放電プラズマ流発生源から発生したアーク放電プラ
ズマ流近傍に配置された基板と、該基板に所定の高周波
電圧を印加する高周波電源と、を有し、前記基板上にダ
イヤモンド状被膜を形成することを特徴とする。
Next, in the diamond-like film forming apparatus of the present invention, a vacuum chamber, an arc discharge plasma flow generation source for generating an arc discharge plasma flow in the vacuum chamber, and an arc discharge plasma flow generation source are generated. An anode that forms an arc discharge with the arc discharge plasma flow generation source so that the arc discharge plasma flow is concentrated, and a reaction gas that is provided on the anode and that contains carbon atoms in the arc discharge plasma flow is supplied. On the substrate, a reactive gas introducing means for operating the substrate, a substrate arranged in the vicinity of the arc discharge plasma flow generated from the arc discharge plasma flow generation source, and a high frequency power source for applying a predetermined high frequency voltage to the substrate. It is characterized in that a diamond-like coating is formed on.

【0018】また、前記陽極は前記基板に対向配置さ
れ、該基板に向けて前記反応ガスをシャワー状に供給す
る反応ガス導入手段を備えていてもよい。
Further, the anode may be arranged opposite to the substrate and provided with a reaction gas introducing means for supplying the reaction gas in a shower shape toward the substrate.

【0019】更に、前記高周波電源による高周波電圧の
印加により、前記基板に発生する自己バイアスを、前記
アーク放電プラズマに対して−200V以下に設定しても
よい。
Further, the self-bias generated on the substrate by applying a high frequency voltage from the high frequency power source may be set to -200 V or less with respect to the arc discharge plasma.

【0020】更に加えて、前記アーク放電プラズマ流発
生源は、陰極と、該陰極と前記陽極との間に介在され、
環状永久磁石を内蔵した第1中間電極と、該第1中間電
極と前記陽極との間に介在され、空芯コイルを内蔵した
第2中間電極と、を備えた圧力勾配型プラズマガンであ
ってもよい。
In addition, the arc discharge plasma flow generation source is interposed between the cathode and the cathode and the anode,
A pressure gradient type plasma gun comprising: a first intermediate electrode containing a ring-shaped permanent magnet; and a second intermediate electrode interposed between the first intermediate electrode and the anode and containing an air-core coil. Good.

【0021】[0021]

【作用】本発明のダイヤモンド状被膜形成方法および装
置によれば、真空チャンバ内に供給される炭素原子を含
む反応ガスが、必ずアーク放電プラズマ流中を通過し、
反応ガスのイオン化、又は中性化効率が高くなる。
According to the method and apparatus for forming a diamond-like film of the present invention, the reaction gas containing carbon atoms supplied into the vacuum chamber always passes through the arc discharge plasma flow,
The ionization or neutralization efficiency of the reaction gas is increased.

【0022】また、陽極が基板に対向配置され、該陽極
に設けられた反応ガス導入手段から基板に向けて反応ガ
スをシャワー状に供給させた場合には、アーク放電プラ
ズマ流の作用により分解され、反応性の高いイオンや中
性の活性状態となった反応ガスが基板に均一に放射され
る。
Further, when the anode is arranged so as to face the substrate and the reaction gas is supplied in a shower shape from the reaction gas introduction means provided on the anode toward the substrate, it is decomposed by the action of the arc discharge plasma flow. The highly reactive ions and the reactive gas in the neutral active state are uniformly emitted to the substrate.

【0023】更に、ダイヤモンド被膜形成時の基板に発
生する自己バイアスを−200V以下に設定した場合に
は、基板上に高硬度を有するダイヤモンド状被膜を形成
することができる。
Further, when the self-bias generated on the substrate at the time of forming the diamond film is set to -200 V or less, a diamond-like film having high hardness can be formed on the substrate.

【0024】そして、アーク放電プラズマ流発生源とし
て、陰極と、該陰極と前記陽極との間に介在され、環状
永久磁石を内蔵した第1中間電極と、該第1中間電極と
前記陽極との間に介在され、空芯コイルを内蔵した第2
中間電極と、を備えた圧力勾配型プラズマガンを用いた
場合には、アーク放電プラズマ流を作り出すための放電
ガスのガス効率が極めて高く、大電流放電が可能である
ため、容易に被膜の大面積化を実現できる。
As an arc discharge plasma flow generation source, a cathode, a first intermediate electrode which is interposed between the cathode and the anode and has a ring-shaped permanent magnet built therein, and the first intermediate electrode and the anode are included. The second, which is interposed between and has a built-in air core coil
When a pressure gradient type plasma gun equipped with an intermediate electrode is used, the gas efficiency of the discharge gas for creating the arc discharge plasma flow is extremely high, and a large current discharge is possible, so that it is easy to form a large coating film. Area can be realized.

【0025】[0025]

【実施例】以下、本発明をその一実施例を示す図面に基
づいて説明する。図1は、本発明一実施例としてのダイ
ヤモンド状被膜形成のための装置を示す概略構成図であ
る。尚、上述の従来例(図5)と同じ構成については同
一符号を付している。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings showing an embodiment thereof. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an apparatus for forming a diamond-like coating as an embodiment of the present invention. The same components as those in the conventional example (FIG. 5) described above are designated by the same reference numerals.

【0026】同図において、17は圧力勾配型プラズマガ
ン1から発生させたアーク放電プラズマ流9の近傍に位
置するように配置され、図の矢印方向に10〜20rpmの速
度で回転可能にされた基板ホルダであり、基板16が取り
付けられている。ここで、基板ホルダ17を回転させてい
るのは基板16上に形成されるダイヤモンド状被膜のムラ
を少なくするためである。また、基板16、基板ホルダ17
をアーク放電プラズマ流9中に配置させずに、そのアー
ク放電プラズマ流9近傍に配置させたのは、アーク放電
プラズマ流9により基板16、基板ホルダ17が高温に加熱
されるのを防ぐためである。
In the figure, 17 is arranged so as to be located in the vicinity of the arc discharge plasma flow 9 generated from the pressure gradient type plasma gun 1, and is made rotatable in the direction of the arrow at a speed of 10 to 20 rpm. A substrate holder, to which a substrate 16 is attached. Here, the reason why the substrate holder 17 is rotated is to reduce unevenness of the diamond-like coating formed on the substrate 16. In addition, the substrate 16 and the substrate holder 17
Was placed in the vicinity of the arc discharge plasma flow 9 without being placed in the arc discharge plasma flow 9 in order to prevent the substrate 16 and the substrate holder 17 from being heated to a high temperature by the arc discharge plasma flow 9. is there.

【0027】そして、基板ホルダ17には発振周波数13.5
6MHz、最大出力500Wの高周波電源18が接続され、その
出力電力を可変することにより、基板16に所望の負の自
己バイアスを発生させるための高周波電圧を、基板ホル
ダ17に印加している。
The substrate holder 17 has an oscillation frequency of 13.5.
A high frequency power source 18 having a maximum output of 500 W and having a frequency of 6 MHz is connected, and a high frequency voltage for generating a desired negative self-bias on the substrate 16 is applied to the substrate holder 17 by varying the output power.

【0028】これは、その質量の違いにより、アーク放
電プラズマ流9中における電界によるイオンの移動速度
が電子に比べて遅いため、高周波電圧印加中の電位の振
れに対して、電子は追随するが、イオンが追随できない
ことを利用している。従って、高周波電圧を基板16に印
加することにより、基板16に電子が多く放射され、基板
16に負の自己バイアスが発生することになる。
Since the moving speed of the ions due to the electric field in the arc discharge plasma flow 9 is slower than that of the electrons due to the difference in mass, the electrons follow the fluctuation of the potential during the application of the high frequency voltage. , I take advantage of the fact that Ion cannot follow. Therefore, when a high frequency voltage is applied to the substrate 16, many electrons are emitted to the substrate 16 and
Negative self-bias will occur at 16.

【0029】ここで、基板16表面をアーク放電プラズマ
流9より負の電位に保つ電源として高周波電源18を用い
ているのは、直流電源からのバイアス電圧を裏面に印加
しても基板16が絶縁物である場合には、基板16上に負の
電荷が発生し難いためである。
Here, the high frequency power supply 18 is used as a power supply for keeping the surface of the substrate 16 at a negative potential from the arc discharge plasma flow 9 because the substrate 16 is insulated even if a bias voltage from a DC power supply is applied to the back surface. This is because negative charges are less likely to be generated on the substrate 16 when it is an object.

【0030】19は、銅により構成されたアーク放電の陽
極であって、その内部に陽極19を真空チャンバ8の外部
から供給される水により水冷するための冷媒管20が配設
されている。これにより、陽極19がアーク放電プラズマ
流9による加熱により溶解するのを防止している。そし
て、陰極2と陽極19との間に接続された放電電源10とし
て、直流電圧(本実施例では、約80V)が印加されてい
る。
Reference numeral 19 denotes an arc discharge anode made of copper, and a refrigerant pipe 20 for cooling the anode 19 with water supplied from the outside of the vacuum chamber 8 is provided therein. This prevents the anode 19 from melting due to heating by the arc discharge plasma stream 9. A direct current voltage (about 80 V in this embodiment) is applied as a discharge power source 10 connected between the cathode 2 and the anode 19.

【0031】また、陽極19には、被膜形成する場合に必
要な反応ガス(本実施例では、CH 4ガスを使用)を供
給する反応ガス導入手段21が設けられている。
Further, the anode 19 is necessary when forming a film.
The required reaction gas (CH in this example FourUse gas)
A reaction gas introducing means 21 for supplying the gas is provided.

【0032】この反応ガス導入手段21は、図2に示すよ
うに、陽極19の基板16との対向面に、放射状に設けられ
た複数個の放出孔21a(本実施例では17個)と、その放
出孔21aに接続され、真空チャンバ8内にCH4ガスを導
入するガス導入部21bとから構成されている。これによ
り、ガス導入部21bから供給されたCH4ガスは、放出孔
21aからシャワー状に噴出されると共に、アーク放電プ
ラズマ流中に直接、CH4ガスが供給されることにな
る。
As shown in FIG. 2, this reaction gas introducing means 21 has a plurality of emission holes 21a (17 in this embodiment) radially provided on the surface of the anode 19 facing the substrate 16. It is connected to the discharge hole 21a and is composed of a gas introducing portion 21b for introducing CH 4 gas into the vacuum chamber 8. As a result, the CH 4 gas supplied from the gas introduction part 21b is
CH 4 gas is directly supplied into the arc discharge plasma flow while being ejected in a shower shape from 21a.

【0033】従って、陽極19からCH4ガスを供給する
ので、真空チャンバ8内に供給されたCH4ガスは、必
ずアーク放電プラズマ流中を通過することになり、CH
4ガスのイオン化、又は中性化効率を高められる。ま
た、陽極19から基板16に向けてCH4ガスをシャワー状
に供給しているので、アーク放電プラズマ流9の作用に
より分解され、反応性の高いイオンや中性の活性状態と
なったCH4ガスが基板16に均一に照射される。
[0033] Therefore, since the supplying CH 4 gas from the anode 19, CH 4 gas supplied into the vacuum chamber 8, will be always passes through the arc plasma stream in, CH
4 Gas ionization or neutralization efficiency can be increased. Further, since CH 4 gas is supplied from the anode 19 toward the substrate 16 in a shower shape, the CH 4 gas is decomposed by the action of the arc discharge plasma flow 9 and becomes a highly reactive ion or a neutral activated state of CH 4. The substrate 16 is uniformly irradiated with the gas.

【0034】次に、上記装置を用いて基板16上にダイヤ
モンド状被膜を形成する方法について説明する。ここ
で、基板16としてNi基板を用いた。
Next, a method of forming a diamond-like film on the substrate 16 using the above apparatus will be described. Here, a Ni substrate was used as the substrate 16.

【0035】先ず、真空チャンバ8内を10-5〜10-7Torr
に排気し、圧力勾配型プラズマガン1の放電ガス導入口
12からアルゴン(Ar)ガスを供給分圧3.9×10-4Torrで
導入し、放電電源10に約80Vを印加してアーク放電させ
て発生したアーク放電プラズマ流9を陽極19に集中させ
ると同時に、陽極19に設けられた反応ガス導入手段21か
ら真空チャンバ8内にCH4ガスを供給分圧1.2×10-3To
rrで導入する。そして、高周波電源18から出力11Wの高
周波電圧を基板ホルダ17に印加し、基板16に発生する自
己バイアスを−200Vとした。
First, the inside of the vacuum chamber 8 is set to 10 -5 to 10 -7 Torr.
To the discharge gas inlet of the pressure gradient plasma gun 1.
Argon (Ar) gas was introduced from 12 at a supply partial pressure of 3.9 × 10 −4 Torr, and about 80 V was applied to the discharge power source 10 to cause arc discharge to concentrate the arc discharge plasma flow 9 at the anode 19 and at the same time. CH 4 gas is supplied into the vacuum chamber 8 from the reaction gas introduction means 21 provided in the anode 19, partial pressure 1.2 × 10 −3 To
Introduce with rr. Then, a high-frequency voltage with an output of 11 W was applied from the high-frequency power source 18 to the substrate holder 17, and the self-bias generated on the substrate 16 was set to -200V.

【0036】これにより、反応ガス導入手段21から導入
されたCH4ガスが、アーク放電プラズマ流9の作用に
より分解され、反応性の高いイオンや中性の活性状態と
なって、基板16上に到達する。
As a result, the CH 4 gas introduced from the reaction gas introducing means 21 is decomposed by the action of the arc discharge plasma flow 9 and becomes highly reactive ions or a neutral active state, so that it is deposited on the substrate 16. To reach.

【0037】以上の工程を20分程度行い、基板16に膜厚
3000Åのダイヤモンド状被膜層を形成した。
The above steps are carried out for about 20 minutes to form a film on the substrate 16.
A 3000Å diamond-like coating layer was formed.

【0038】図3は、上記被膜形成方法を用いて基板16
にダイヤモンド状被膜を形成した場合に、高周波電源18
の出力を可変させて基板16に発生する自己バイアスを変
化させた場合の、自己バイアスに対する被膜硬度の変化
を示したものである。ここで、被膜硬度はビッカース硬
度を表しており、JIS G0202の規格に基づいて測定し
た。尚、基板16としてNi基板を用いる代わりに、その
他の基板、例えばSi基板、ガラス基板などを用いても
図3と同様の結果が得られた。また、放電ガス導入口12
から供給するArガスの供給分圧、及び反応ガス導入手
段21から供給するCH4ガスの供給分圧を1.0〜20.0×10
-4Torrの他の値に設定した場合においても、図3と略同
様の結果が得られた。
FIG. 3 shows a substrate 16 formed by using the above film forming method.
When a diamond-like coating is formed on the
2 shows the change in the film hardness with respect to the self-bias when the self-bias generated in the substrate 16 is changed by varying the output of. Here, the film hardness represents Vickers hardness, and was measured based on the standard of JIS G 0202. It should be noted that, instead of using the Ni substrate as the substrate 16, other substrates such as a Si substrate and a glass substrate were used, and the same results as in FIG. 3 were obtained. Also, the discharge gas inlet 12
The partial pressure of the Ar gas supplied from the reactor and the partial pressure of the CH 4 gas supplied from the reaction gas introducing means 21 are 1.0 to 20.0 × 10
Even when other values of -4 Torr were set, the same results as in Fig. 3 were obtained.

【0039】図3に示すように、基板16に形成された被
膜硬度は、基板16に発生する自己バイアスが0Vでは被
膜硬度が約400Hvと低い値となっており、自己バイアス
が0V〜−200Vではそのバイアス電圧の負への増加にと
もない被膜硬度が高くなり、自己バイアスが−200Vで
は約2000Hvの高い値を有しており、また、自己バイアス
が−300V以下では殆ど変化がみられず約2300Hv前後の
値となっている。
As shown in FIG. 3, the hardness of the coating film formed on the substrate 16 is as low as about 400 Hv when the self-bias generated on the substrate 16 is 0 V, and the self-bias is 0 V to -200 V. The hardness of the coating increases as the bias voltage increases to a negative value, and the self-bias has a high value of about 2000 Hv at -200 V, and there is almost no change at self-bias of -300 V or less. It is a value around 2300 Hv.

【0040】従って、基板16に発生する自己バイアスが
−200V以下となるように高周波電源18の高周波電圧を
設定することにより、基板16に約2000Hv以上の高硬度を
有するダイヤモンド状被膜が形成されることが分かる。
Therefore, by setting the high-frequency voltage of the high-frequency power source 18 so that the self-bias generated on the substrate 16 becomes -200 V or less, a diamond-like coating having a high hardness of about 2000 Hv or more is formed on the substrate 16. I understand.

【0041】次に、上記被膜形成方法において、陽極
19に設けられた反応ガス導入手段21からCH4ガスを供
給させてダイヤモンド状被膜を形成した場合と、図5
従来装置と同様に真空チャンバ8に設けられた反応ガス
導入口13からCH4ガスを供給させてダイヤモンド状被
膜を形成した場合の夫々についての反応ガス供給量と成
膜速度との関係を図4に示す。
Next, in the above film forming method, the anode
When CH 4 gas is supplied from the reaction gas introducing means 21 provided in 19 to form a diamond-like coating,
Similar to the conventional apparatus, when the CH 4 gas is supplied from the reaction gas inlet 13 provided in the vacuum chamber 8 to form the diamond-like coating film, the relationship between the reaction gas supply amount and the film forming rate is shown in FIG. Shown in.

【0042】図4に示すように、成膜速度は反応ガス供
給量の増加に従い上昇しているが、例えば、150Å/min
の成膜速度を得る場合、上記方法では約1.18Torrの反
応ガス供給量が必要なのに対し、上記方法の場合には
約0.97Torrの反応ガス供給量でよく、上記方法による
と上記方法に比べて、少ない反応ガス供給量によって
同一の成膜速度を実現できることがわかる。
As shown in FIG. 4, the film formation rate increases with an increase in the reaction gas supply amount. For example, 150 Å / min
In the case of obtaining the film formation rate of, the reaction gas supply amount of about 1.18 Torr is required in the above method, whereas the reaction gas supply amount of about 0.97 Torr is necessary in the above method, and the above method is superior to the above method. It can be seen that the same film forming rate can be realized with a small reaction gas supply amount.

【0043】尚、上記実施例では、放電ガス導入口12か
らArガスを供給し、反応ガス導入手段21からCH4ガス
を供給して、ダイヤモンド状被膜を形成する場合につい
て説明したが、この他の不活性ガスを放電ガス導入口12
から供給し、炭素原子を含む他の反応ガス、例えばC2
6,C66,C38,CO,CO2を反応ガス導入手段
21から供給しても構わない。
In the above embodiment, the Ar gas is supplied from the discharge gas introduction port 12 and the CH 4 gas is supplied from the reaction gas introduction means 21 to form the diamond-like coating. Inert gas of discharge gas inlet 12
Other reactive gas containing carbon atoms, such as C 2
H 6 , C 6 H 6 , C 3 H 8 , CO, CO 2 as reaction gas introduction means
You can supply from 21.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上述べた通り本発明のダイヤモンド状
被膜形成方法および装置によれば、真空チャンバ内に供
給される炭素原子を含む反応ガスが、必ずアーク放電プ
ラズマ流中を通過し、反応ガスのイオン化効率、又は中
性化効率が高くなるので、装置を大型化することなく、
所望の膜厚を有するダイヤモンド状被膜を従来法より短
時間で成膜することが可能となる。
As described above, according to the diamond-like film forming method and apparatus of the present invention, the reaction gas containing carbon atoms, which is supplied into the vacuum chamber, always passes through the arc discharge plasma flow, and the reaction gas Since the ionization efficiency or neutralization efficiency of is increased, without increasing the size of the device,
It becomes possible to form a diamond-like film having a desired film thickness in a shorter time than the conventional method.

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

【図1】本発明を実施するためのダイヤモンド状被膜形
成装置を示す構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a diamond-like film forming apparatus for carrying out the present invention.

【図2】図1実施例装置における反応ガス導入手段の平
面図である。
FIG. 2 is a plan view of a reaction gas introduction unit in the apparatus of FIG. 1 embodiment.

【図3】図1実施例の装置を用いて基板上にダイヤモン
ド状被膜を形成した場合における、基板に発生する自己
バイアスに対する被膜硬度の変化を示したものである。
FIG. 3 is a graph showing changes in coating hardness with respect to self-bias generated in a substrate when a diamond-like coating is formed on the substrate using the apparatus of FIG. 1 embodiment.

【図4】図1実施例の装置、及び図5装置を用いて基板
上にダイヤモンド状被膜を形成した場合における、夫々
の場合における反応ガス供給量と成膜速度との関係を示
したものである。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the reaction gas supply rate and the film formation rate in each case when a diamond-like coating is formed on a substrate using the apparatus of FIG. 1 and the apparatus of FIG. is there.

【図5】従来法によるイオンプレーテング装置を示す構
成図である。
FIG. 5 is a configuration diagram showing an ion plating apparatus according to a conventional method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 圧力勾配型プラズマガン(アーク放電プラズマ流発
生源) 5 ハース(陽極) 8 真空チャンバ 9 アーク放電プラズマ流 10 放電電源 11 直流電源 12 放電ガス導入口 13 反応ガス導入口 16 基板 18 高周波電源 19 陽極 20 冷媒管 21 放電ガス導入手段 21a 放出孔 21b ガス導入部
1 pressure gradient type plasma gun (arc discharge plasma flow generation source) 5 hearth (anode) 8 vacuum chamber 9 arc discharge plasma flow 10 discharge power supply 11 direct current power supply 12 discharge gas inlet 13 reaction gas inlet 16 substrate 18 high frequency power source 19 anode 20 Refrigerant tube 21 Discharge gas introduction means 21a Release hole 21b Gas introduction part

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成6年2月18日[Submission date] February 18, 1994

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0008[Correction target item name] 0008

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0008】また、この圧力勾配型プラズマガン1は、
陽極領域からのイオンの逆流による陰極の損傷が無い上
に、中間電極の無い放電形式のものと比べて、アーク放
電プラズマ流を作り出すための放電ガスのガス効率が極
めて高く、大電流放電が可能であるため、容易に被膜の
大面積化が実現できるという利点を有している。
Further, the pressure gradient type plasma gun 1 is
There is no damage to the cathode due to the backflow of ions from the anode region, and the gas efficiency of the discharge gas for creating an arc discharge plasma flow is extremely high compared to the discharge type without an intermediate electrode, enabling large current discharge. Therefore, there is an advantage that the area of the coating can be easily increased.

【手続補正2】[Procedure Amendment 2]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】0042[Correction target item name] 0042

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【0042】図4に示すように、成膜速度は反応ガス供
給量の増加に従い上昇しているが、例えば、150Å/min
の成膜速度を得る場合、上記方法では約1.18×10-3To
rrの反応ガス供給量が必要なのに対し、上記方法の場
合には約0.97×10-3Torrの反応ガス供給量でよく、上記
方法によると上記方法に比べて、少ない反応ガス供
給量によって同一の成膜速度を実現できることがわか
る。
As shown in FIG. 4, the film formation rate increases with an increase in the reaction gas supply amount. For example, 150 Å / min
In order to obtain a film formation rate of about 1.18 × 10 −3 To
While the reaction gas supply amount of rr is required, the reaction gas supply amount of about 0.97 × 10 −3 Torr is sufficient in the case of the above method, and the same reaction gas supply amount by the above method is smaller than that of the above method. It can be seen that the film formation speed can be realized.

【手続補正3】[Procedure 3]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図1[Name of item to be corrected] Figure 1

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図1】 FIG.

【手続補正4】[Procedure amendment 4]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図4[Name of item to be corrected] Fig. 4

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図4】 [Figure 4]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木山 精一 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Seiichi Kiyama 2-5-5 Keihan Hondori, Moriguchi City, Osaka Sanyo Electric Co., Ltd.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】真空チャンバ内に配置された陽極に向けて
アーク放電プラズマ流を発生させ、前記陽極から前記ア
ーク放電プラズマ流中に炭素原子を含む反応ガスを供給
すると同時に、前記真空チャンバ内に配置された基板に
所定の高周波電圧を印加して、該基板上にダイヤモンド
状被膜を形成することを特徴とするダイヤモンド状被膜
形成方法。
1. An arc discharge plasma flow is generated toward an anode arranged in a vacuum chamber, and a reaction gas containing carbon atoms is supplied from the anode into the arc discharge plasma flow, and at the same time, is supplied into the vacuum chamber. A method for forming a diamond-like coating, which comprises applying a predetermined high-frequency voltage to a substrate placed on the substrate to form a diamond-like coating on the substrate.
【請求項2】前記陽極は前記基板に対向配置され、該陽
極に設けられた反応ガス導入手段から前記基板に向けて
前記反応ガスをシャワー状に供給することを特徴とする
請求項1記載のダイヤモンド状被膜形成方法。
2. The anode is arranged so as to face the substrate, and the reaction gas is supplied in a shower shape from the reaction gas introduction means provided in the anode toward the substrate. Diamond-like coating forming method.
【請求項3】前記高周波電圧の印加により、前記基板に
発生する自己バイアスを前記アーク放電プラズマに対し
て−200V以下とすることを特徴とする請求項1または
2記載のダイヤモンド状被膜形成方法。
3. The method for forming a diamond-like film according to claim 1, wherein the self-bias generated on the substrate by applying the high-frequency voltage is set to -200 V or less with respect to the arc discharge plasma.
【請求項4】真空チャンバと、 該真空チャンバ内にアーク放電プラズマ流を発生させる
アーク放電プラズマ流発生源と、 該アーク放電プラズマ流発生源から発生したアーク放電
プラズマ流が集中するように、該アーク放電プラズマ流
発生源との間にアーク放電を形成する陽極と、 該陽極に設けられ、前記アーク放電プラズマ流中に炭素
原子を含む反応ガスを供給する反応ガス導入手段と、 前記アーク放電プラズマ流発生源から発生したアーク放
電プラズマ流近傍に配置された基板と、 該基板に所定の高周波電圧を印加する高周波電源と、を
有し、 前記基板上にダイヤモンド状被膜を形成することを特徴
とするダイヤモンド状被膜形成装置。
4. A vacuum chamber, an arc discharge plasma flow generation source for generating an arc discharge plasma flow in the vacuum chamber, and an arc discharge plasma flow generated from the arc discharge plasma flow generation source for concentrating the arc discharge plasma flow. An anode for forming an arc discharge with an arc discharge plasma flow generation source; a reaction gas introduction means provided on the anode for supplying a reaction gas containing carbon atoms into the arc discharge plasma flow; and the arc discharge plasma. A substrate disposed in the vicinity of an arc discharge plasma flow generated from a flow generation source, and a high frequency power source for applying a predetermined high frequency voltage to the substrate, wherein a diamond-like coating is formed on the substrate. Diamond-like film forming device.
【請求項5】前記陽極は前記基板に対向配置され、該基
板に向けて前記反応ガスをシャワー状に供給する反応ガ
ス導入手段を備えていることを特徴とする請求項4記載
のダイヤモンド状被膜形成装置。
5. The diamond-like coating according to claim 4, wherein the anode is provided so as to face the substrate, and is provided with a reaction gas introducing means for supplying the reaction gas toward the substrate in a shower shape. Forming equipment.
【請求項6】前記高周波電源による高周波電圧の印加に
より、前記基板に発生する自己バイアスを、前記アーク
放電プラズマに対して−200V以下とすることを特徴と
する請求項4または5記載のダイヤモンド状被膜形成装
置。
6. The diamond-like structure according to claim 4, wherein the self-bias generated on the substrate by applying a high-frequency voltage from the high-frequency power source is set to −200 V or less with respect to the arc discharge plasma. Film forming equipment.
【請求項7】前記アーク放電プラズマ流発生源は、陰極
と、該陰極と前記陽極との間に介在され、環状永久磁石
を内蔵した第1中間電極と、該第1中間電極と前記陽極
との間に介在され、空芯コイルを内蔵した第2中間電極
と、を備えた圧力勾配型プラズマガンであることを特徴
とする請求項4ないし6のいずれかに記載のダイヤモン
ド状被膜形成装置。
7. The arc discharge plasma flow generation source includes a cathode, a first intermediate electrode that is interposed between the cathode and the anode, and has an annular permanent magnet built therein, the first intermediate electrode and the anode. 7. The diamond-like film forming apparatus according to claim 4, which is a pressure gradient type plasma gun provided with a second intermediate electrode which is interposed between the second intermediate electrode and the second intermediate electrode.
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