JPH09176858A

JPH09176858A - 硬質炭素被膜の形成方法、及び形成装置

Info

Publication number: JPH09176858A
Application number: JP8236801A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Domoto; 洋一堂本; Keiichi Kuramoto; 慶一蔵本; Hitoshi Hirano; 均平野; Seiichi Kiyama; 精一木山
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-10-23
Filing date: 1996-09-06
Publication date: 1997-07-08

Abstract

(57)【要約】【課題】基板上に形成された硬質炭素被膜の膜質向上
に際して、基板上に堆積する硬質炭素被膜の性質を制御
することを必要としていた。更に、プラズマＣＶＤ法に
より硬質炭素被膜を形成する場合、基板以外、特にマイ
クロ波導入窓の内面側に、基板上に形成される硬質炭素
被膜と同様な被膜が形成され、この汚れを取り除くため
に定期的なメンテナンス作業を必要としていた。【解決手段】真空チャンバ内のプラズマ発生室(4)内
にマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段(1)と、上
記プラズマ発生室(4)内に酸素含有ガスを含む放電ガス
を供給する放電ガス供給手段と、上記プラズマ発生室
(4)の周囲に設けられ、上記プラズマ発生室内に電子サ
イクロトロン共鳴状態を形成する磁界発生手段(6)と、
真空チャンバ内の反応室に設けられた基板を保持する基
板ホルダ(12)と、上記反応室内に反応ガスを供給する反
応ガス供給手段と、を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板上に形成され
る硬質炭素被膜の形成方法、及び硬質炭素被膜の形成装
置内の基板以外の個所に形成された硬質炭素被膜の形成
方法、及び形成装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】硬質炭素被膜はダイヤモンドと同様に硬
度、抵抗率、化学的安定性等に優れているため、薄膜磁
気ヘッド、或るいは電気シェーバ刃等の表面改質のため
のコーティング材料等として近年大きな期待を集めてい
る。

【０００３】図４は硬質炭素被膜を形成する電子サイク
ロトロン共鳴プラズマＣＶＤ装置（以下「ＥＣＲプラズ
マＣＶＤ装置」という。）の一例を示す概略図であり、
本発明者等は特願平７−１２１２３４号においてそのＥ
ＣＲプラズマＣＶＤ装置を提案している。

【０００４】図４において、真空チャンバ８内部には、
プラズマ発生室４、及び基板１３が設置される反応室７
が設けられている。プラズマ発生室４には導波管２の一
端が取り付けられており、導波管２の他端にはマイクロ
波供給手段１が設けられている。

【０００５】マイクロ波供給手段１で発生したマイクロ
波は、導波管２及びマイクロ波導入窓３を通って、プラ
ズマ発生室４に導かれる。プラズマ発生室４には、プラ
ズマ発生室４内にアルゴン（Ａｒ）ガス等の放電ガスを
供給するための放電ガス供給管５が設けられている。ま
た、プラズマ発生室４の周囲には、プラズマ発生室４内
にプラズマ磁気共鳴状態を形成するためにプラズマ磁界
発生手段６が設けられている。

【０００６】真空チャンバ８内の反応室７には、ドラム
状の基板ホルダ１２が、図４の紙面に垂直な回転軸のま
わりを回転自在となるように設置されており、該基板ホ
ルダ１２には図示省略するモータが連結されている。基
板ホルダ１２の外周面には、複数の基板１３が等しい間
隔で装着されている。基板ホルダ１２には、高周波電源
１０が接続されている。

【０００７】基板ホルダ１２の周囲には、金属製の筒状
のシールドカバー１４が基板ホルダ１２から約５ｍｍの
距離を隔てて設けられている。このシールドカバー１４
は、接地電極に接続されている。このシールドカバー１
４は、被膜を形成するときに、基板ホルダ１２に印加さ
れる高周波電圧によって被膜形成箇所以外の基板ホルダ
１２と真空チャンバ８との間の放電が発生するのを防止
するために設けられている。

【０００８】シールドカバー１４には、開口部１５が形
成されている。この開口部１５を通って、プラズマ発生
室４から引き出されたプラズマが、基板ホルダー１２に
装着された基板１３に放射されるようになっている。真
空チャンバ８内には、反応ガス供給管１６が設けられて
いる。この反応ガス供給管１６の先端は、開口部１５の
上方に位置する。

【０００９】斯かる形成装置において、基板１３上に硬
質被膜を形成するには、真空チャンバ８内が所定圧力と
なるまで、図示しない排気ポンプを用いて排気した後、
基板ホルダ１２を一定速度で回転させる。次に、放電ガ
ス供給管５からＡｒガスを供給すると共に、マイクロ波
供給手段１からマイクロ波を供給して、プラズマ発生室
４内に形成されたＡｒプラズマを基板１３の表面に放射
する。

【００１０】これと同時に、反応ガス供給管１６からＣ
Ｈ₄ガスを供給しながら、高周波電源１０から高周波電
力を基板ホルダ１２に印加することによって、基板１３
上には硬質炭素被膜が形成される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、従来の硬質
炭素被膜は硬度等の点で不十分であり、更にＥＣＲプラ
ズマＣＶＤ装置を用いたプラズマＣＶＤ法により硬質炭
素被膜を形成する場合、基板１３以外、特にマイクロ波
導入窓３の内面側に、基板１３上に形成される硬質炭素
被膜と同様な被膜が形成されていた。

【００１２】このため、真空チャンバ８内部のマイクロ
波導入窓３の内面側が汚れることによって、マイクロ波
供給手段１から供給されるマイクロ波の電力を効率良く
投入することが出来ず、この汚れを取り除くために定期
的なメンテナンス作業を別途必要としていた。

【００１３】また、真空チャンバ８内部に形成（付着）
された硬質炭素被膜を除去せずに、基板１３への膜形成
を行っていくと、真空チャンバ８内部に形成（付着）さ
れた硬質炭素被膜が剥離、また飛散したりし、基板１３
上に落下する結果、ピンホールの発生や硬質炭素被膜の
基板１３への密着不良の原因となったりしていた。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、真空チャンバ
内のプラズマ発生室内にマイクロ波を供給するマイクロ
波供給手段と、上記プラズマ発生室内に酸素含有ガスを
含む放電ガスを供給する放電ガス供給手段と、上記プラ
ズマ発生室の周囲に設けられ、上記プラズマ発生室内に
電子サイクロトロン共鳴状態を形成する磁界発生手段
と、真空チャンバ内の反応室に設けられた基板を保持す
る基板ホルダと、上記反応室内に反応ガスを供給する反
応ガス供給手段と、を具備することを特徴とする。

【００１５】また、本発明は、真空チャンバ内のプラズ
マ発生室内にマイクロ波を供給するマイクロ波供給手段
と、上記プラズマ発生室内に酸素含有ガスを供給するガ
ス供給手段と、上記プラズマ発生室の周囲に設けられ、
上記プラズマ発生室内に電子サイクロトロン共鳴状態を
形成する磁界発生手段と、からなり、上記真空チャンバ
内に付着した硬質炭素被膜をエッチングすることを特徴
とする。

【００１６】上記酸素含有ガスとは、空気であることを
特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態を図１乃至
図３に従って説明する。

【００１８】本発明の硬質炭素被膜の形成装置の構成が
従来のそれと同一である場合には、その説明を割愛す
る。

【００１９】図１は本発明の硬質炭素被膜の形成装置の
概略構成図を示したものである。

【００２０】本発明における形成装置での硬質炭素被膜
の一般的な形成条件は、表１の通りである。

【００２１】

【表１】

【００２２】表１に示す形成条件下で、本発明の形成装
置を用いて硬質炭素被膜をＳｉ基板上に形成する処理に
ついて説明する。

【００２３】まず、真空チャンバ８内が１０^-5〜１０^-7
Ｔｏｒｒとなるまで排気した後、放電ガス供給管５から
酸素含有ガスを含むＡｒガスを供給する。このとき、酸
素含有ガスとしては、Ｏ₂、Ｏ₃、ＣＯ、ＣＯ₂、及びＨ₂
Ｏ等が該当する。また、Ａｒガスの圧力は、５．７×１
０^-4Ｔｏｒｒ、酸素含有ガスは１×１０^-4Ｔｏｒｒを設
定する。

【００２４】次に、マイクロ波供給手段１からマイクロ
波を供給して、プラズマ発生室４内に形成されたＡｒプ
ラズマをＳｉ基板２０の表面に放射する。これと同時
に、反応ガス供給管１６から圧力１．３×１０^-3Ｔｏｒ
ｒのＣＨ₄ガスを供給しながら、高周波電源１０から高
周波電力を基板ホルダ１２に印加することによって、Ｓ
ｉ基板２０上には硬質炭素被膜が形成される。

【００２５】このとき、Ｓｉ基板２０上に形成される硬
質炭素被膜の膜質を向上させるために、基板ホルダ１２
への高周波電力（周波数１３.５６ＭＨｚ）の印加に際
して、Ｓｉ基板２０に発生する自己バイアス電圧が−５
０Ｖとなるように高周波電力を調整する。

【００２６】炭素被膜形成時にＡｒガスと共に酸素含有
ガスを供給することによって、硬質炭素被膜を形成する
炭素のうち、グラファイト成分（ｓｐ２構造）は、ダイ
ヤモンド的な成分（ｓｐ３構造）と比較して酸素により
エッチングされやすいため、硬質炭素被膜中の炭素は酸
化反応によりＣＯ、或るいはＣＯ₂等に変化するためで
あると考えられる。

【００２７】また、図２（ａ）は被膜の硬度と反応ガス
に対する酸素含有ガスの割合との関係を示した図であ
る。図２（ａ）をみると分かるように、酸素含有ガスの
濃度としては、反応ガスの０．１体積％以上であれば、
炭素被膜の硬度が３３００Ｈｖで一定となり、このこと
から酸素含有ガス濃度は反応ガスの０．１体積％を下限
として設定できる。

【００２８】一方図２（ｂ）は被膜の成膜速度と反応ガ
スに対する酸素含有ガスの割合との関係を示した図であ
る。図２（ｂ）をみると分かるように、酸素含有ガスの
濃度を増加していくことによって、成膜速度は減少して
いき、生産性の観点からみれば、酸素含有ガス濃度は反
応ガスの３０体積％を上限として設定できる。

【００２９】ここで、Ｓｉ基板２０上に形成された硬質
炭素被膜の評価を行う。

【００３０】今回、厚さ６,０００Å、ビッカース硬度
３,３００Ｈｖ、屈折率２.２、及び導電率１０^-11（Ω
ｃｍ）^-1の硬質炭素被膜がＳｉ基板上に形成された。

【００３１】一方、従来のように硬質炭素被膜の形成時
に酸素を含まないＡｒガスのみを放電ガス供給管５から
供給することによって硬質炭素被膜を形成する場合に
は、ビッカース硬度３,０００Ｈｖ、屈折率２.０、及び
導電率１０^-10（Ωｃｍ）^-1の硬質炭素被膜がＳｉ基板
上に形成され、本発明の硬質炭素被膜が従来のそれと比
較すると、膜質が改善されることが分かった。

【００３２】更に、従来酸素含有ガスを添加せずに、Ａ
ｒガスのみを用いて、硬質炭素被膜を形成すると、マイ
クロ波導入窓３の内面側に不要な硬質炭素被膜が形成さ
れていたが、本発明による形成装置では、Ａｒガスと共
に酸素含有ガスを供給すると共に、マイクロ波供給手段
１のマイクロ波の周波数を２．４５ＧＨｚ、及び磁界発
生用コイルの発生磁界を８７５ガウスに設定（以下「電
子サイクロトロン共鳴状態」という。）することによっ
て、マイクロ波導入窓３の内面側に付着していた硬質炭
素被膜の付着を防止することができる。

【００３３】尚、上述の実施の形態では、硬質炭素被膜
の形成に際して、Ａｒガスと共に酸素含有ガスを供給し
ていたが、これには限定されず、基板への硬質炭素被膜
の形成の後、形成装置内に付着した硬質炭素被膜を除去
することも可能である。

【００３４】斯かる場合、酸素含有ガスを用いる代わり
に、大気中の空気を用いることも可能である。以下に具
体例を挙げて図３を用いて説明する。

【００３５】図３に示す形成装置が、図１に示す形成装
置と異なるのは、以下の点である。

【００３６】（１）真空チャンバ８内において、プラズ
マ発生室４と反応室７とを仕切るためのシャッター２０
を設けたこと、（２）プラズマ発生室４内に空気を供給
するための空気供給管２１を設けたこと、及び（３）空
気供給管２１の供給側にフィルタ２２を設けたこと、で
ある。

【００３７】次に、基板１３に硬質炭素被膜を形成した
後、プラズマ発生室４内に付着した硬質炭素被膜を除去
する方法を説明する。

【００３８】まず、基板１３を反応室７内に放置したま
ま、或るいは反応室７から基板１３を取り去った後、プ
ラズマ発生室４と反応室７とを仕切るためにシャッター
２０を或る程度閉じる。

【００３９】次に、このプラズマ発生室４に、放電ガス
供給管５から１００ｓｃｃｍのＡｒガス、及び空気供給
管２１から２００ｓｃｃｍの空気を供給すると共に、図
示しない排気ポンプを用いてプラズマ発生室４内が３×
１０^-1Ｔｏｒｒとなるまで排気する。

【００４０】このとき、空気供給管２１から空気の供給
に従って、ゴミ等の異物がプラズマ発生室４内に侵入し
ないように、２μｍ程度のメッシュからなるフィルタ２
２を介して、空気をプラズマ発生室４内に供給すること
が好ましい。

【００４１】また、プラズマ発生室４内に付着した硬質
炭素被膜を除去した後、繰り返して基板１３に硬質炭素
被膜を形成する場合には、プラズマ発生室４内に空気を
供給する際に、乾燥材等の乾燥手段によって、供給空気
から水分を除去した方が好ましい。

【００４２】尚、空気によるエッチングに引き続き、更
に硬質炭素被膜を形成する場合、水分、或るいは窒素等
の影響を取り除くために、基板１３への硬質炭素被膜の
形成前に、反応室７内を１×１０^-6Ｔｏｒｒ程度まで真
空排気することが好ましい。

【００４３】更に、プラズマ発生室４内が所定圧力にな
った後、マイクロ波電力を２００Ｗに設定し、マイクロ
波供給手段１で発生したマイクロ波を、導波管２及びマ
イクロ波導入窓３を通してプラズマ発生室４に導く。約
１０分間のプラズマエッチングにより、プラズマ発生室
４内に付着した硬質炭素被膜は除去される。

【００４４】更に、ＥＣＲプラズマＣＶＤの場合には、
プラズマ発生室４内のガス圧のみならず、磁界発生用コ
イルへの電力を調整することで、電子サイクロトロン共
鳴状態を満たす位置をよりマイクロ波導入窓３付近に近
付けることで、プラズマの分布を変えることにより、高
密度プラズマによるスパッタ作用が増大し、マイクロ波
導入窓３の内面側への膜付着に対して効果的である。

【００４５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によればプラズマ発生室内に硬質炭素被膜の原料となる
反応ガス、及び酸素含有ガスを供給し乍ら、基板上に硬
質炭素被膜を形成し乍ら、プラズマ発生室内に形成され
ていた硬質炭素被膜がエッチングされ、この結果、被膜
の膜質を向上させることができる。

【００４６】更に、硬質炭素被膜の形成装置内に形成さ
れたプラズマ発生室内に不活性ガス、及び酸素含有ガス
を供給し乍ら、プラズマ生成室内に電子サイクロトロン
共鳴状態を形成することによって、プラズマ発生室内面
側に付着形成された硬質炭素被膜を容易に除去すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の硬質炭素被膜を形成するＥＣＲプラズ
マＣＶＤ装置の概略構成図である。

【図２】図２（ａ）は被膜の硬度と反応ガスに対する酸
素含有ガスの割合との関係を示した図である。図２
（ｂ）は被膜の成膜速度と反応ガスに対する酸素含有ガ
スの割合との関係を示した図である。

【図３】本発明の真空チャンバに形成された硬質炭素被
膜を除去するＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の概略構成図で
ある。

【図４】従来の硬質炭素被膜を形成するＥＣＲプラズマ
ＣＶＤ装置の概略構成図である

【符号の説明】

１・・・マイクロ波供給手段２・・・導波管３・・・マイクロ波導入窓４・・・プラズマ発生室５・・・放電ガス供給管６・・・プラズマ磁界発生手段７・・・反応室８・・・真空チャンバ１０・・・高周波電源１２・・・基板ホルダ１３・・・基板１４・・・シールドカバー１５・・・開口部１６・・・反応ガス供給管２０・・・シャッター２１・・・空気供給管

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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマ発生室内に設置された基板上に
硬質炭素被膜を形成する硬質炭素被膜の形成方法におい
て、上記プラズマ発生室内に上記硬質炭素被膜の原料となる
反応ガスと共に、酸素含有ガスを用いてプラズマを発生
させ乍ら、上記基板上に硬質炭素被膜を形成することを
特徴とする硬質炭素被膜の形成方法。
【請求項２】上記酸素含有ガスの割合は、反応ガスの
０．１〜３０体積％であることを特徴とする請求項１記
載の硬質炭素被膜の形成方法。
【請求項３】上記プラズマ発生室内に電子サイクロト
ロン共鳴状態を形成することを特徴とする請求項１記載
の硬質炭素被膜の形成方法。
【請求項４】真空チャンバ内のプラズマ発生室内にマ
イクロ波を供給するマイクロ波供給手段と、上記プラズ
マ発生室内に酸素含有ガスを含む放電ガスを供給する放
電ガス供給手段と、上記反応室内に反応ガスを供給する
反応ガス供給手段と、を具備することを特徴とする硬質
炭素被膜の形成装置。
【請求項５】請求項４における硬質炭素被膜の形成装
置は、上記プラズマ発生室の周囲に設けられ、上記プラ
ズマ発生室内に電子サイクロトロン共鳴状態を形成する
磁界発生手段を具備することを特徴とする硬質炭素被膜
の形成装置。