JPH08319568A - Production of hard nitrogen-containing carbon film - Google Patents

Production of hard nitrogen-containing carbon film

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JPH08319568A
JPH08319568A JP12612595A JP12612595A JPH08319568A JP H08319568 A JPH08319568 A JP H08319568A JP 12612595 A JP12612595 A JP 12612595A JP 12612595 A JP12612595 A JP 12612595A JP H08319568 A JPH08319568 A JP H08319568A
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JP
Japan
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nitrogen
carbon
film
hard
containing carbon
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JP12612595A
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Japanese (ja)
Inventor
Kiichiro Kamata
喜一郎 鎌田
Hidetoshi Saito
秀俊 斎藤
Toru Inoue
亨 井上
Fujio Shioya
富士夫 塩矢
Yuji Yanagi
雄二 柳
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Canon Tokki Corp
Original Assignee
Tokki Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: To produce an ultrahard nitrogen-contg. carbon film by regulating a gaseous atmosphere contg. carbon and nitrogen to a specified vacuum degree and exciting it into a plasma state by using resonance between an electromagnetic wave of specified frequency and a magnetic field having specified intensity. CONSTITUTION: The atmosphere of a plasma chamber 1 is held to a vacuum degree of <=10<-2> Pa. A reactive gas 7 contg. carbon and nitrogen is fed to the plasma chamber 1. By using resonance between an electromagnetic wave 9 having >=10GHz frequency add a magnetic field having >=500G intensity generated by a coil 8, the reactive gas 7 is excited into a plasma shape. The obtd. plasma 11 of carbon ions and nitrogen ions is accelerated by a D.C. bias power source 12 of 20 to 500 electrons V and is applied to a substrate 3. As the reactive gas 7, a gas of carbon-base materials such as CH4 , C2 H6 , CH3 OH, C2 H5 OH, CO, CO2 or C2 H4 or nitrogen-base materials such as N2 , NH, or the like as simple body or that of their combination of several kinds is preferably used. An ultrahard thin film having 12,500 Knoop hardness can be formed.

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、基体の表面に硬質な窒
素含有炭素薄膜を形成する方法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 for forming a hard nitrogen-containing carbon thin film on the surface of a substrate.

【0002】本発明の技術を用いて得られた試料は、そ
れ自体で有効な硬質被覆材料となることは勿論、結晶性
のβ型C34を合成するための出発原料となると予想さ
れる。
The sample obtained using the technique of the present invention is expected to be an effective hard coating material by itself, and also a starting material for synthesizing crystalline β-type C 3 N 4. It

【0003】[0003]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】各種基
体表面に硬質保護膜を設ける技術は、TiCやTiN薄
膜や硬質炭素薄膜,窒化ホウ素薄膜などを対象に、切削
工具の切削能増強や磁気記録媒体の表面保護など様々な
目的に基づいて多くの製膜技術が開発されている。それ
らの技術は公知であり、蒸着法,スパッタリング法,熱
やプラズマを用いた各種CVD法などの方法が挙げられ
る。
2. Description of the Related Art The technique of providing a hard protective film on the surface of various substrates is intended for TiC or TiN thin films, hard carbon thin films, boron nitride thin films, etc., for enhancing the cutting ability of cutting tools and magnetic properties. Many film forming techniques have been developed for various purposes such as surface protection of recording media. Those techniques are publicly known, and examples thereof include a vapor deposition method, a sputtering method, and various CVD methods using heat and plasma.

【0004】未開発の結晶性物質β型C34は、このよ
うな超硬材料の次世代物質として最近おおいに注目を集
めている。これはLiuらのグループが1989年に計
算機シミュレーションの結果から提案したものである。
β型C34は、公知の物質であるβ型Si34のSiを
Cに置き換えた構造とされている。彼らは該β型C34
の体積弾性率を半経験的モデルを用いて計算し、単結晶
ダイヤモンドに匹敵する数値であることを報告した。こ
こで体積弾性率はその物質の硬さの目安になる値として
知られており、また物質合成時の処理によって、その数
値は変化すると考えられる。
The undeveloped crystalline substance β-type C 3 N 4 has recently attracted a great deal of attention as a next-generation substance for such superhard materials. This was proposed by the group of Liu et al. In 1989 from the result of computer simulation.
β-type C 3 N 4 has a structure in which Si of β-type Si 3 N 4 which is a known substance is replaced with C. They are the β-type C 3 N 4
It was reported that the bulk modulus was calculated using a semi-empirical model and was comparable to that of single crystal diamond. Here, the bulk modulus is known as a value that serves as a measure of the hardness of the substance, and it is considered that the numerical value changes depending on the treatment during substance synthesis.

【0005】従って、該β型C34は、ダイヤモンドよ
りも硬い物質として出現する可能性がある。
Therefore, the β-type C 3 N 4 may appear as a substance harder than diamond.

【0006】これと同時に多くの研究者は、該β型C3
4の電気的な性質はワイドバンドギャップを有するこ
とを特徴とするであろうと予測している。これらの予測
は、来るべきダイヤモンド素子の時代に該β型C34
重要な役割を担うことを、人々に期待させるものであ
る。
At the same time, many researchers have found that the β-type C 3
It is predicted that the electrical properties of N 4 will be characterized by having a wide bandgap. These predictions make people expect that the β-type C 3 N 4 will play an important role in the coming era of diamond devices.

【0007】この提案をもとに、多くの研究者が該β型
34のバルク体や薄膜体の人工合成を試みたが、周知
のようにその明確な結晶体の合成の成功は報告されてい
ない。
Based on this proposal, many researchers have attempted to artificially synthesize the β-type C 3 N 4 bulk body or thin film body, but as is well known, the success of the definite crystal body has been successful. Not reported.

【0008】一方薄膜合成の分野では、非晶質の炭素薄
膜材料に窒素を添加する試みや、特に結晶性を示さない
窒素と炭素の化合物を形成しようと試みがなされてき
た。例えばグラファイトをターゲットに、スパッタガス
を窒素にしたスパッタリング法,カーボン蒸着中に窒素
イオンビームを照射するイオンビーム蒸着法などの例が
報告されている。
On the other hand, in the field of thin film synthesis, attempts have been made to add nitrogen to an amorphous carbon thin film material, or to form a compound of nitrogen and carbon which does not exhibit crystallinity. For example, there have been reported examples of a sputtering method in which a sputtering gas is nitrogen with graphite as a target, and an ion beam evaporation method in which a nitrogen ion beam is irradiated during carbon deposition.

【0009】このような、非晶質で硬質な窒素含有炭素
薄膜を形成する試みは、3つの理由に基づいて行われて
いる。一つには得られた硬質窒素含有炭素膜試料は、該
β型C34を合成する出発原料としても非常に有効であ
ることが予測されていることである。
Attempts to form such an amorphous and hard nitrogen-containing carbon thin film have been made for three reasons. One is that the obtained hard nitrogen-containing carbon film sample is predicted to be very effective as a starting material for synthesizing the β-type C 3 N 4 .

【0010】いまひとつには、窒素の導入によって膜中
での形成が予想されるCとNの二重・三重結合の結合エ
ネルギーは、ダイヤモンドのC−C結合(sp3混成軌
道)の結合エネルギーを上回っていることがある。該β
型C34の結合手は全てCとNの単結合によって構成さ
れると予測されている。従ってこの事実は、結晶構造の
形成以外にも硬質な窒素含有炭素薄膜の形成を実現でき
る可能性を示している。そしてもう一つには、CとNの
二・三重結合の結合長さが、上記のC−C結合(sp3
混成軌道)の結合長さよりも短いことによる。
Another reason is that the bond energy of the double and triple bond of C and N, which is expected to be formed in the film by introducing nitrogen, is the bond energy of the C—C bond (sp 3 hybrid orbital) of diamond. Sometimes it exceeds. The β
All bonds of type C 3 N 4 are predicted to be composed of a single bond of C and N. Therefore, this fact shows the possibility of realizing the formation of a hard nitrogen-containing carbon thin film other than the formation of the crystal structure. And, another one is that the bond length of the double bond of C and N is the above-mentioned CC bond (sp 3
It is shorter than the bond length of the hybrid orbital).

【0011】一般に硬質炭素薄膜(いわゆるダイヤモン
ドライクカーボン:DLC薄膜)薄膜の内部に圧縮応力
が蓄積される原因の一つに、膜の成長反応の間に炭素結
合が、sp2混成軌道からsp3混成軌道へ変化する際の
結合長さの増加が指摘されている。この例に基づくなら
ば、内部応力が低く、かつ硬度の高い薄膜を形成しよう
とする場合、DLC薄膜の内部に窒素を導入することが
非常に有効である可能性が大きい。
[0011] In general hard carbon thin film (so-called diamond-like carbon: DLC film) on one of the causes compressive stress within the film is accumulated, the carbon bond during the growth reaction of the film, sp 3 from sp 2 hybrid orbital It has been pointed out that the bond length increases when changing to a hybrid orbit. Based on this example, it is highly likely that introducing nitrogen into the DLC thin film is very effective when a thin film having low internal stress and high hardness is to be formed.

【0012】それまで、DLC薄膜に関する研究に携わ
ってきた多くの研究者らは、このような硬質な無定形炭
素薄膜の作製を、周波数13.56MHzのラジオ波を
用いたプラズマCVD法やスパッタリング法などで試み
ている。その結果として、窒素の導入による内部応力の
低減を報告している。しかし、硬質化の効果に関しては
成功例は報告されていない。従って、窒素添加に基づく
硬度増加を実現するためには、これまでとは異なったコ
ンセプトに基づく作製手段の登場がなんとしても必要で
ある。
Until now, many researchers who have been involved in research on DLC thin films have manufactured such hard amorphous carbon thin films by a plasma CVD method or a sputtering method using a radio frequency of 13.56 MHz. Are trying. As a result, we reported that the introduction of nitrogen reduced the internal stress. However, no successful case has been reported regarding the effect of hardening. Therefore, in order to realize the increase in hardness based on the addition of nitrogen, it is necessary to introduce a manufacturing means based on a concept different from the conventional one.

【0013】本発明者らはこれまで、工業周波数2.4
5GHzのマイクロ波と強度875Gの磁場との共鳴現
象を利用した、いわゆるECRプラズマCVDを用いて
DLC薄膜の合成を試み、プラズマと基体の間にバイア
ス電圧を印加することによって、基体表面に炭素イオン
を照射することが膜の硬質化と、成長速度の向上に有効
であることを確認してきた。
The inventors of the present invention have hitherto developed an industrial frequency of 2.4.
An attempt was made to synthesize a DLC thin film using so-called ECR plasma CVD that utilizes the resonance phenomenon between a microwave of 5 GHz and a magnetic field of intensity 875 G, and a carbon ion was applied to the substrate surface by applying a bias voltage between the plasma and the substrate. It has been confirmed that irradiating with is effective for hardening the film and improving the growth rate.

【0014】上記ECRプラズマCVD装置とバイアス
電圧印加技術の組み合わせを応用することによって、硬
質な窒素含有炭素膜の作製が可能になるのではないかと
着眼し、実験を試みたところ、10から20%の窒素を
含みかつ膜の硬度がヌープ圧子によって10000以上
という数値を示す超硬質薄膜が得られることが明らかに
なり、本発明を完成した。上記の窒素濃度はいうまでも
なく仮想的なβ型C34結晶と比較してはるかに低い値
である。
By applying the combination of the ECR plasma CVD apparatus and the bias voltage application technique, it was possible to manufacture a hard carbon film containing nitrogen, and an experiment was tried. It was revealed that an ultra-hard thin film containing nitrogen and having a film hardness of 10,000 or more can be obtained by a Knoop indenter, and the present invention was completed. Needless to say, the above nitrogen concentration is much lower than that of a hypothetical β-type C 3 N 4 crystal.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】添付図面を参照して本発
明の要旨を説明する。
The gist of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

【0016】炭素と窒素を含む気体雰囲気において、1
-2Pa以下の圧力の真空度に保たれた真空容器中に設
置した基体の表面に、気体雰囲気を10GHz以上の周
波数の電磁波と500G以上の強さの磁場の共鳴を用い
てプラズマ状態に励起させて得られた炭素イオンと窒素
イオンを、電場によって基体方向に加速し照射すること
によって、該基体表面に窒素を含有し、高い硬度を有す
る炭素薄膜を形成することを特徴とする硬質窒素含有炭
素膜の作製方法に係るものである。
In a gas atmosphere containing carbon and nitrogen, 1
On the surface of a substrate installed in a vacuum container maintained at a vacuum degree of 0 -2 Pa or less, a gas atmosphere is brought into a plasma state by using resonance of electromagnetic waves with a frequency of 10 GHz or more and a magnetic field of 500 G or more. A hard nitrogen containing a carbon thin film containing nitrogen on the surface of the substrate to form a carbon thin film having a high hardness by accelerating and irradiating a carbon ion and a nitrogen ion obtained by excitation in the direction of the substrate by an electric field. The present invention relates to a method for manufacturing a carbon film containing carbon.

【0017】また、請求項1に記載の炭素イオンと窒素
イオンを加速する為の電場が、20〜500電子Vであ
ることを特徴とする硬質窒素含有炭素膜の作製方法に係
るものである。
The electric field for accelerating carbon ions and nitrogen ions according to claim 1 is 20 to 500 electron V, and relates to a method for producing a hard nitrogen-containing carbon film.

【0018】また、請求項1に記載の炭素と窒素を含む
気体雰囲気が、CH4,C26,CH3OH,C25
H,CO,CO2あるいはC24等に代表される炭素系
原料と、N2あるいはNH3等に代表される窒素系原料を
単体づつ若しくは数種類組み合わせた気体によって形成
されることを特徴とする硬質窒素含有炭素膜の作製方法
に係るものである。
The gas atmosphere containing carbon and nitrogen according to claim 1 is CH 4 , C 2 H 6 , CH 3 OH, C 2 H 5 O.
A carbon-based raw material typified by H, CO, CO 2 or C 2 H 4 and a nitrogen-based raw material typified by N 2 or NH 3 are formed by a single gas or a combination of several gases. The present invention relates to a method for producing a hard nitrogen-containing carbon film.

【0019】また、請求項1に記載の炭素と窒素を含む
気体雰囲気が、CH3NH2,(CH33NあるいはCH
3CN等に代表される窒素を含む有機化合物を単体若し
くは数種類組み合わせて気体として使用されることを特
徴とする硬質窒素含有炭素膜の作製方法に係るものであ
る。
The gas atmosphere containing carbon and nitrogen according to claim 1 is CH 3 NH 2 , (CH 3 ) 3 N or CH.
The present invention relates to a method for producing a hard nitrogen-containing carbon film, characterized in that a nitrogen-containing organic compound typified by 3 CN or the like is used alone or in combination as a gas.

【0020】[0020]

【実施例】以下、本発明の実施例を詳述する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described in detail below.

【0021】本実施例では、本発明の方法を用いてSi
単結晶基板(100)面上への硬質窒素含有炭素薄膜の
形成を試みた。図1に本実施例で作製に用いたECRプ
ラズマCVD装置の模式図を示す。プラズマ室1下部の
反応室2中で、試料基体3を試料ステージ4上に設置
し、反応室2を閉鎖後ロータリーポンプ5とターボ分子
ポンプ6によって反応室2及びプラズマ室1全体を10
-6Torr台に高真空度まで排気する。
In this example, the method of the present invention was used to produce Si.
An attempt was made to form a hard nitrogen-containing carbon thin film on the (100) surface of a single crystal substrate. FIG. 1 shows a schematic diagram of the ECR plasma CVD apparatus used for production in this example. In the reaction chamber 2 below the plasma chamber 1, the sample substrate 3 is set on the sample stage 4, and after the reaction chamber 2 is closed, the rotary chamber 5 and the turbo molecular pump 6 are used to set the reaction chamber 2 and the plasma chamber 1 to 10
-6 Evacuate to a high vacuum degree on a Torr table.

【0022】内部に設置される試料基体3は、その種類
に関して特に限定を加えられるものではない。上述のよ
うに本実施例では、半導体の分野で広く流通しているS
i単結晶の(100)面基板の厚さ0.5〜0.7mmの
ものを使用した。この他、WC焼結体や窒化珪素,炭化
珪素の焼結体等硬質材料の分野で用いられている材料を
使用しても良い。また、製膜する表面に中間層を設けて
も良い。本発明のような炭素主体の薄膜材料の場合は、
結晶若しくは無定形な炭素膜を設けるのも有効である。
また、窒化された母材薄膜,ここでは結晶若しくは無
定形なSiNの薄膜を設けても良い。
There is no particular limitation on the type of the sample substrate 3 installed inside. As described above, in this embodiment, S which is widely distributed in the field of semiconductors is used.
An i single crystal (100) plane substrate having a thickness of 0.5 to 0.7 mm was used. In addition, a material used in the field of hard materials such as a WC sintered body, a sintered body of silicon nitride or silicon carbide may be used. Further, an intermediate layer may be provided on the surface for film formation. In the case of a carbon-based thin film material like the present invention,
It is also effective to provide a crystalline or amorphous carbon film.
Further, a nitrided base material thin film, here, a crystalline or amorphous SiN thin film may be provided.

【0023】このとき試料ステージ4の裏面に設けられ
て電気ヒーターによって試料は加熱される。加熱温度は
ガス流量や反応圧力によって幅広く設定できる。ただし
本実施例では最大400℃設定の電気ヒーターを使用
し、200℃設定とした。
At this time, the sample is heated by an electric heater provided on the back surface of the sample stage 4. The heating temperature can be set widely depending on the gas flow rate and reaction pressure. However, in this example, an electric heater with a maximum setting of 400 ° C. was used, and the setting was 200 ° C.

【0024】真空度が所定の値に達したら、反応ガス7
をプラズマ室1内部に導入する。
When the degree of vacuum reaches a predetermined value, the reaction gas 7
Is introduced into the plasma chamber 1.

【0025】本実施例では反応ガスをCH4,H2,N2
をそれぞれ30cc/min,30cc/min,20cc/minの
流量によって混合したものとした。この原料ガスは炭素
と窒素を含む原料を幅広く選択することができる。
In this embodiment, the reaction gas is CH 4 , H 2 , N 2
Were mixed at flow rates of 30 cc / min, 30 cc / min, and 20 cc / min, respectively. A wide range of raw materials containing carbon and nitrogen can be selected as the raw material gas.

【0026】本実施例でH2を添加したのは、本発明者
らのこれまでのDLC膜の合成実験の結果から、脆弱な
結合の部分をエッチング除去する効果を期待してのこと
である。
The addition of H 2 in this example is expected from the results of the DLC film synthesizing experiments by the present inventors up to the effect of etching away the fragile bond. .

【0027】Ar等を添加することも、プラズマ中で他
のガスを励起させる効果があることが知られており、有
効な方法と考えられる。
It is known that the addition of Ar or the like also has the effect of exciting other gases in plasma, and is considered to be an effective method.

【0028】H2以外の原料ガスに関しては、炭素と窒
素が含まれていれば、特に大きな制限が加えられるもの
ではない。例えば実施例記載以外の例としては、C
26,CH3OH,C25OH,CO,CO2あるいはC
24等に代表される炭素系原料と、NH3等に代表され
る窒素系原料を単数若しくは複数組み合わせて使用でき
る。
With respect to the source gases other than H 2 , if carbon and nitrogen are contained, no particular limitation is imposed. For example, as an example other than the examples, C
2 H 6 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH, CO, CO 2 or C
A carbon-based raw material represented by 2 H 4 or the like and a nitrogen-based raw material represented by NH 3 or the like can be used alone or in combination.

【0029】また、CH3NH2,(CH33Nあるいは
CH3CN等に代表される窒素を含む有機化合物を単体
もしくは数種類組み合わせ、気体として使用しても良
い。
Further, nitrogen-containing organic compounds represented by CH 3 NH 2 , (CH 3 ) 3 N, CH 3 CN, etc. may be used alone or in combination as a gas.

【0030】反応ガス7を導入された反応室2は、6.
2x10-4Torrの圧力まで昇圧される。この昇圧に
は、排気側のコンダクタンスを調節する方法と、反応ガ
スの総流量を調節する方法がある。このとき昇圧された
反応室2の圧力は、製膜反応の時点でも維持される。
The reaction chamber 2 into which the reaction gas 7 is introduced is 6.
The pressure is increased to 2 × 10 -4 Torr. For this pressure increase, there are a method of adjusting the conductance on the exhaust side and a method of adjusting the total flow rate of the reaction gas. The pressure in the reaction chamber 2 that has been increased at this time is maintained even at the time of the film formation reaction.

【0031】反応圧力の設定値は、反応室2の大きさ等
によって決定される。反応圧力によっていわゆる平均自
由行程が変化する。平均自由行程は、その空間中で分子
及び/または活性種同士が無衝突で移動できる距離であ
る。例えば本実施例の設定圧力において窒素分子の平均
自由行程は約50cmと言われている。これに対して圧
力を10-3Torr台に昇圧した場合、その数値は約5
cmまで低下する。本実施例の装置では、プラズマ室
1,試料ステージ4の距離は約30cmであり、理論的
にはプラズマ中の活性種は無衝突で試料ステージ4及び
試料基体3表面に到達できることになる。従って、試料
基体3とプラズマ室1がより隣接した位置関係にある装
置ならば、より高い圧力で製膜が可能となる。
The set value of the reaction pressure is determined by the size of the reaction chamber 2 and the like. The reaction pressure changes the so-called mean free path. The mean free path is the distance that molecules and / or active species can move without collision in the space. For example, it is said that the mean free path of nitrogen molecules at the set pressure of this embodiment is about 50 cm. On the other hand, when the pressure is increased to the level of 10 -3 Torr, the value is about 5
down to cm. In the apparatus of this embodiment, the distance between the plasma chamber 1 and the sample stage 4 is about 30 cm, and theoretically, the active species in the plasma can reach the surfaces of the sample stage 4 and the sample substrate 3 without collision. Therefore, if the sample substrate 3 and the plasma chamber 1 are closer to each other in the positional relationship, the film can be formed at a higher pressure.

【0032】所定の圧力に到達した時点で、プラズマ室
1周囲に設置したコイル8より875Gの磁場を印加
し、該プラズマ室1上部から2.45GHzのマイクロ
波9を導入する。必要なマイクロ波の実効電力は、使用
する原料の解離エネルギーや励起エネルギーによって変
化するので、本明細書で明確に規定することはできな
い。例えば本実施例の場合、最大出力600Wの電源装
置を使用し、投入電力は200Wとした。
When the predetermined pressure is reached, a magnetic field of 875 G is applied from the coil 8 installed around the plasma chamber 1, and a microwave 9 of 2.45 GHz is introduced from the upper part of the plasma chamber 1. The required effective electric power of the microwave varies depending on the dissociation energy and the excitation energy of the raw material used, and therefore cannot be clearly defined in this specification. For example, in the case of this embodiment, a power supply device having a maximum output of 600 W was used and the input power was 200 W.

【0033】プラズマ室1内部で安定した放電が確認で
きたら、プラズマ室1と反応室2の間に設けられたシャ
ッター10を開いて、プラズマ11を試料基体3表面に照射
する。照射を開始したらすぐに直流バイアス電源12によ
り、試料ステージ4とプラズマ11の間にイオン加速の為
のバイアス電圧を印加する。本実施例では比較的に薄い
膜を形成するために考慮しなかったが、形成される薄膜
は絶縁性を有する為に印加するバイアスをラジオ波(例
えば工業周波数13.56MHzなど)とするのは大変
に有効である。
When a stable discharge can be confirmed inside the plasma chamber 1, the shutter 10 provided between the plasma chamber 1 and the reaction chamber 2 is opened and the surface of the sample substrate 3 is irradiated with the plasma 11. Immediately after the irradiation is started, a DC bias power supply 12 applies a bias voltage for accelerating ions between the sample stage 4 and the plasma 11. In the present embodiment, this was not taken into consideration in order to form a relatively thin film, but since the formed thin film has an insulating property, the bias to be applied is a radio wave (for example, an industrial frequency of 13.56 MHz). It is very effective.

【0034】本実施例では、バイアス電圧を0〜400
Vの間で変化させた。本発明の方法が超硬質薄膜材料の
形成に有効であることを示すため、膜の硬度に対するバ
イアス電圧の効果を検討した。
In this embodiment, the bias voltage is 0 to 400.
V and varied. To show that the method of the present invention is effective in forming ultra-hard thin film materials, the effect of bias voltage on film hardness was investigated.

【0035】本実施例では、硬度測定のために0.8〜
1μmの膜厚が必要である。予備実験を行って、バイア
ス電圧によって膜の成長速度に違いがあることがわかっ
たので、製膜時間は1時間から3時間とした。所要時間
を経過した後、バイアス電圧を0Vとし、シャッター10
を閉鎖、しかる後速やかにマイクロ波投入を停止し、磁
場の印加を停止した。全導入ガスラインを閉鎖したの
ち、プラズマ室1及び反応室2を初期真空度10-6To
rr台まで減圧した。ここで基板加熱を停止し、100
〜150℃まで基板ステージの冷却を待った後、反応室
2を開いて試料基体3を取り出した。
In this embodiment, the hardness of 0.8 to 0.8 is measured for hardness measurement.
A film thickness of 1 μm is required. Preliminary experiments were conducted and it was found that the growth rate of the film varied depending on the bias voltage, so the film formation time was set to 1 to 3 hours. After the required time has passed, the bias voltage is set to 0 V and the shutter 10
Then, microwave input was stopped immediately and the magnetic field application was stopped. After closing all the introduced gas lines, the plasma chamber 1 and the reaction chamber 2 were initially vacuumed at 10 −6 To.
The pressure was reduced to the rr level. The substrate heating is stopped here, and 100
After waiting for the substrate stage to cool to ˜150 ° C., the reaction chamber 2 was opened and the sample substrate 3 was taken out.

【0036】得られた薄膜表面のヌープ硬度を測定し
た。バイアス電圧による硬度の変化をグラフとして図2
に示す。比較として本発明者らが測定した硬質炭素膜
(いわゆるDLC)の硬度を合わせて示す。明らかにD
LCを大きく上回る硬度が得られており、なかでもバイ
アス電圧300Vで得られた試料は、ヌープ硬度125
00という超硬質な薄膜であることがわかった。
The Knoop hardness of the surface of the obtained thin film was measured. Fig. 2 is a graph showing the change in hardness depending on the bias voltage.
Shown in For comparison, the hardness of the hard carbon film (so-called DLC) measured by the inventors is also shown. Clearly D
Hardness significantly higher than LC was obtained, and among them, the sample obtained at a bias voltage of 300 V had a Knoop hardness of 125.
It was found to be a super-hard thin film of 00.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上のように、本発明はDLCを大きく
上回るヌープ硬度12500というようなこれまで例の
ない超硬質薄膜の形成を容易ならしめる効果を有する。
As described above, the present invention has an effect of facilitating the formation of an ultra-hard thin film, which has never been seen before, such as a Knoop hardness of 12,500 which greatly exceeds DLC.

【0038】本発明によって、各種保護膜や工具材料の
表面処理技術は一層の発展を見ることがおおいに期待さ
れる。
According to the present invention, it is highly expected that the surface treatment technology for various protective films and tool materials will be further developed.

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

【図1】本実施例のECRプラズマCVD装置の概略構
成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ECR plasma CVD apparatus of this embodiment.

【図2】本実施例のバイアス電圧による硬度の変化を示
すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a change in hardness according to a bias voltage of this example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 プラズマ室 2 反応室 3 試料基体 4 試料ステージ 5 ロータリーポンプ 6 ターボ分子ポンプ 7 反応ガス 8 コイル 9 マイクロ波 10 シャッター 11 プラズマ 12 直流バイアス電源 1 plasma chamber 2 reaction chamber 3 sample substrate 4 sample stage 5 rotary pump 6 turbo molecular pump 7 reaction gas 8 coil 9 microwave 10 shutter 11 plasma 12 DC bias power supply

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 亨 新潟県長岡市下山6−817 ハイツ佳愛102 (72)発明者 塩矢 富士夫 東京都中央区銀座7丁目15番5号 トッキ 株式会社内 (72)発明者 柳 雄二 東京都中央区銀座7丁目15番5号 トッキ 株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toru Inoue 6-817 Shimoyama, Nagaoka City, Niigata Prefecture 102 Kaai Heights 102 (72) Inventor Fujio Shioya 7-15-5 Ginza, Chuo-ku, Tokyo Tokki Corporation ( 72) Inventor Yuji Yanagi Tokki Co., Ltd. 7-15-5 Ginza, Chuo-ku, Tokyo

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 炭素と窒素を含む気体雰囲気において、
10-2Pa以下の圧力の真空度に保たれた真空容器中に
設置した基体の表面に、気体雰囲気を10GHz以上の
周波数の電磁波と500G以上の強さの磁場の共鳴を用
いてプラズマ状態に励起させて得られた炭素イオンと窒
素イオンを、電場によって基体方向に加速し照射するこ
とによって、該基体表面に窒素を含有し、高い硬度を有
する炭素薄膜を形成することを特徴とする硬質窒素含有
炭素膜の作製方法。
1. In a gas atmosphere containing carbon and nitrogen,
On the surface of a substrate installed in a vacuum container maintained at a vacuum degree of 10 -2 Pa or less, a gas atmosphere is made into a plasma state by using resonance of electromagnetic waves with a frequency of 10 GHz or more and a magnetic field of 500 G or more. A hard nitrogen containing a carbon thin film containing nitrogen on the surface of the substrate to form a carbon thin film having a high hardness by accelerating and irradiating a carbon ion and a nitrogen ion obtained by excitation in the direction of the substrate by an electric field. Method for producing carbon film containing carbon.
【請求項2】 請求項1に記載の炭素イオンと窒素イオ
ンを加速する為の電場が、20〜500電子Vであるこ
とを特徴とする硬質窒素含有炭素膜の作製方法。
2. A method for producing a hard nitrogen-containing carbon film, wherein the electric field for accelerating the carbon ions and the nitrogen ions according to claim 1 is 20 to 500 electrons V.
【請求項3】 請求項1に記載の炭素と窒素を含む気体
雰囲気が、CH4,C26,CH3OH,C25OH,C
O,CO2あるいはC24等に代表される炭素系原料
と、N2あるいはNH3等に代表される窒素系原料を単体
づつ若しくは数種類組み合わせた気体によって形成され
ることを特徴とする硬質窒素含有炭素膜の作製方法。
3. The gas atmosphere containing carbon and nitrogen according to claim 1 is CH 4 , C 2 H 6 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH, C.
A hard material characterized by being formed by a gas in which a carbon-based raw material typified by O, CO 2 or C 2 H 4 and a nitrogen-based raw material typified by N 2 or NH 3 or the like are used individually or in combination. Method for producing nitrogen-containing carbon film.
【請求項4】 請求項1に記載の炭素と窒素を含む気体
雰囲気が、CH3NH2,(CH33NあるいはCH3
N等に代表される窒素を含む有機化合物を単体若しくは
数種類組み合わせて気体として使用されることを特徴と
する硬質窒素含有炭素膜の作製方法。
4. The gas atmosphere containing carbon and nitrogen according to claim 1 is CH 3 NH 2 , (CH 3 ) 3 N or CH 3 C.
A method for producing a hard nitrogen-containing carbon film, characterized in that a nitrogen-containing organic compound represented by N or the like is used alone or in combination as a gas.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002038269A (en) * 2000-07-21 2002-02-06 Nachi Fujikoshi Corp Method for synthesizing hard carbon nitride film
JP2008189997A (en) * 2007-02-05 2008-08-21 Kensuke Honda Method for producing conductive diamond-like carbon

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