JP2001152338A - Manufacturing apparatus for diamond-like high conductivity carbon(dlc) thin film - Google Patents
Manufacturing apparatus for diamond-like high conductivity carbon(dlc) thin filmInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ダイアモンドライ
クカーボン(diamond like carbon:本明細書中で単に
DLCと称する)薄膜を製造する技術に関し、特に、R
F−PECVD(Radio Frequency Plasma Enhanced Ch
emical Vapor Deposition:高周波プラズマCVD)法
を用いて高導電率のDLC薄膜を製造する装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for producing a diamond-like carbon (hereinafter, simply referred to as DLC) thin film.
F-PECVD (Radio Frequency Plasma Enhanced Ch)
The present invention relates to an apparatus for producing a DLC thin film having high conductivity by using an emical vapor deposition (high frequency plasma CVD) method.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来から、金型、切削工具、摺動部材、
磁気ヘッド表面保護膜、あるいは磁気テープ表面保護膜
等としてDLC薄膜が利用されている。このようなDL
C薄膜を製造する技術の一つがRF−PECVDであ
り、基材が保持されたカソード電極とこれに対向するア
ノード電極との間に所定の真空度で原料を導入しながら
高周波電界を印加してプラズマを発生させ、基材上に炭
素を堆積させることによりDLC薄膜を形成させる。図
1は従来から用いられている典型的なRF−PECVD
装置の概略図である。2. Description of the Related Art Conventionally, dies, cutting tools, sliding members,
A DLC thin film is used as a magnetic head surface protective film or a magnetic tape surface protective film. DL like this
One of the techniques for manufacturing a C thin film is RF-PECVD, in which a high-frequency electric field is applied while introducing a raw material at a predetermined degree of vacuum between a cathode electrode holding a substrate and an anode electrode opposed thereto. A DLC thin film is formed by generating plasma and depositing carbon on the substrate. FIG. 1 shows a typical RF-PECVD conventionally used.
It is the schematic of an apparatus.
【0003】図において、1’は内部を定められた圧力
に保つ真空チャンバー、2’は真空チャンバー1内に設
置され接地されたアノード電極、3’は原料ガスを真空
チャンバー1’内に導入する反応ガス導入口、4’はマ
ッチングボックス5’を経由して高周波電源6’(周波
数は一般に13.56MHz)に接続されたカソード電
極である。動作について説明すると、真空チャンバー
1’は内部の圧力を約5mTorrから100mTorrに
ゲートバルブ7’の開度と流量計(MFC:MassFlow C
ontroller)8’によりガス流量制御されている。In the figure, reference numeral 1 'denotes a vacuum chamber for keeping the inside at a predetermined pressure, 2' an anode electrode installed in the vacuum chamber 1 and grounded, and 3 'for introducing a raw material gas into the vacuum chamber 1'. The reaction gas inlets 4 'are cathode electrodes connected to a high frequency power supply 6' (frequency is generally 13.56 MHz) via a matching box 5 '. The operation of the vacuum chamber 1 'will be described. The internal pressure of the vacuum chamber 1' is increased from about 5 mTorr to 100 mTorr, and the opening of the gate valve 7 'and the flow meter (MFC: MassFlow C
ontroller) 8 'controls the gas flow rate.
【0004】真空チャンバー1’内の圧力が5mTorr以
下であるとスパッタリングが起きる可能性があるため、
前述の圧力で成膜する。アノード電極2’とカソード電
極4’の間には、高周波電源6’からカソード電極4’
高周波インピーダンス整合のためのマッチングボックス
5’を介して13.56MHzの高周波が印加され、原
料ガスをこの間で化学的に活性な電離イオンと原子また
は分子に解離する。ここで炭素がカソード4’上に保持
された基材9’上に到達することにより基材9’上にD
LC薄膜が堆積する。If the pressure in the vacuum chamber 1 'is less than 5 mTorr, sputtering may occur.
The film is formed under the aforementioned pressure. A high-frequency power supply 6 ′ is connected between the anode electrode 2 ′ and the cathode electrode 4 ′.
A high frequency of 13.56 MHz is applied through a matching box 5 'for high frequency impedance matching, and the source gas is dissociated into chemically active ionized ions and atoms or molecules during this period. Here, when the carbon reaches the base material 9 ′ held on the cathode 4 ′, D
An LC thin film is deposited.
【0005】RF−PECVD法は基材の広範囲な領域
にDLC薄膜を形成することができ、低温環境下でDL
C薄膜を基材に形成することができるという利点があ
る。しかしながら、前述のような従来のDLC薄膜成膜
用RF−PECVD装置では導電率の低いDLC薄膜し
か得ることができず、そのDLC薄膜が固有に持つ高抵
抗のため、成膜中にチャージアップに起因する放電によ
り膜質が劣化するという問題があり、得られたDLC薄
膜を導電性硬質保護膜として応用する場合において限界
があった。高伝導率DLC薄膜は、既にアーク法もしく
はスパッタリング法によって実現されているが、両方法
によって得られたDLC薄膜は表面平坦性等の膜質が悪
い。[0005] The RF-PECVD method can form a DLC thin film over a wide area of a substrate, and can form a DL under a low temperature environment.
There is an advantage that a C thin film can be formed on a substrate. However, the above-mentioned conventional RF-PECVD apparatus for forming a DLC thin film can only obtain a DLC thin film having a low conductivity, and the DLC thin film inherently has a high resistance. There is a problem that the film quality is degraded by the resulting discharge, and there is a limit in applying the obtained DLC thin film as a conductive hard protective film. The high-conductivity DLC thin film has already been realized by the arc method or the sputtering method, but the DLC thin film obtained by both methods has poor film quality such as surface flatness.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な問題点を解決するためになされたものであり、RF−
PECVD法により、高硬度で、薄膜表面の平坦性がよ
く,導電率の高いDLC薄膜を成膜できる技術を確立す
ることを目的とするものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has been made in view of the problem of RF-RF.
An object of the present invention is to establish a technique capable of forming a DLC thin film having high hardness, good flatness of the thin film surface, and high conductivity by the PECVD method.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明者は、検討を重ね
た結果、RF−PECVD法によりDLC薄膜などを製
造するに当たっては、反応雰囲気の温度を可及的に一定
にし得る手段を設けることにより、自己バイアス電圧な
どの操作因子の制御が容易となり、高導電率(低抵抗)
のDLC薄膜を成膜できることを見出した。As a result of repeated studies, the present inventor has found that, when a DLC thin film or the like is manufactured by the RF-PECVD method, means for keeping the temperature of the reaction atmosphere as constant as possible is provided. Makes it easier to control operating factors such as self-bias voltage, and provides high conductivity (low resistance)
Can be formed.
【0008】かくして、本発明に従えば、基本発明とし
て、基材が保持されたカソード電極とこれに対向するア
ノード電極との間に所定の真空度で導入した原料ガスに
高周波電界を印加しプラズマを発生させて基材上に炭素
を堆積させることによりDLC薄膜を製造する装置であ
って、前記電極間に発生するプラズマの周辺雰囲気の温
度を制御する手段が設けられていることを特徴とするD
LC薄膜製造装置が提供される。Thus, according to the present invention, as a basic invention, a high-frequency electric field is applied to a raw material gas introduced at a predetermined degree of vacuum between a cathode electrode holding a base material and an anode electrode facing the cathode electrode. An apparatus for producing a DLC thin film by depositing carbon on a substrate by generating a plasma, wherein means for controlling the temperature of the atmosphere around the plasma generated between the electrodes is provided. D
An apparatus for manufacturing an LC thin film is provided.
【0009】本発明のDLC薄膜製造装置の好ましい具
体例においては、前記プラズマの周辺雰囲気の温度を制
御する手段は、ガス供給装置を備えるアノード電極を収
容し電極間に発生するプラズマを包み込むような大きさ
を有しカソード電極側が開放されたジャケット付円筒状
のアノード室、該アノード室の周りに巻装されたヒータ
ー、該アノード室のジャケット内を流れる冷却水、およ
び該アノード室の壁温を測定する温度センサーから成
る。In a preferred embodiment of the apparatus for manufacturing a DLC thin film according to the present invention, the means for controlling the temperature of the atmosphere around the plasma contains an anode electrode provided with a gas supply device and wraps the plasma generated between the electrodes. A cylindrical anode chamber with a jacket having a size and an open cathode electrode side, a heater wound around the anode chamber, cooling water flowing in a jacket of the anode chamber, and a wall temperature of the anode chamber. Consists of a temperature sensor to measure.
【0010】さらに、本発明のDLC薄膜製造装置は、
その好ましい態様として、アノード電極とカソード電極
との間隔が変化し得るようになっており、特に好ましい
態様においては上記のようなプラズマの周辺雰囲気の温
度を制御する手段が垂直方向に可動となっていることに
よりアノード電極とカソード電極との間隔が変化し得る
ようになっている。Further, the apparatus for producing a DLC thin film of the present invention
In a preferred embodiment, the distance between the anode electrode and the cathode electrode can be changed. In a particularly preferred embodiment, the means for controlling the temperature of the atmosphere around the plasma as described above is movable in the vertical direction. This allows the distance between the anode electrode and the cathode electrode to be changed.
【0011】[0011]
【発明の実施の形態】RF−PECVD法において発生
するようなプラズマ自体の温度を測定し制御することは
極めて困難であるが、本発明は、プラズマ発生領域の周
辺を冷却および/または加熱してその温度を制御するこ
とにより、安定してRF−PECVD法を実施すること
ができ、高導電率のDLC薄膜を再現性良く製造するこ
とを可能にしたものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Although it is extremely difficult to measure and control the temperature of the plasma itself as generated in the RF-PECVD method, the present invention cools and / or heats the periphery of the plasma generation region. By controlling the temperature, the RF-PECVD method can be stably performed, and a highly conductive DLC thin film can be manufactured with good reproducibility.
【0012】さらに、本発明は、従来のRF−PECV
D法のように、バイアス(自己バイアス)手段としてカ
ソード近傍に発生するシースを利用し、バイアス電圧の
制御手段としてカソードに印加する高周波電力を変化さ
せるのみならず、バイアス手段としてカソード近傍に発
生するシースを利用し、バイアス電圧の制御手段として
アノード電極とカソード電極との間隔を変化させえるこ
とも付加したものである。Further, the present invention relates to a conventional RF-PECV
As in the method D, a sheath generated near the cathode is used as bias (self-biasing) means, and high frequency power applied to the cathode is not only changed as bias voltage control means but also generated near the cathode as bias means. It is also added that the spacing between the anode electrode and the cathode electrode can be changed as a bias voltage control means using a sheath.
【0013】このようにアノード電極とカソード電極と
の間隔を変化させるとバイアス電圧(自己バイアス電
圧)を制御しながら、結果的にはプラズマおよびその周
辺雰囲気の温度を制御することが容易となり、一定の温
度で安定してRF−PECVD法を実施することがで
き、高導電率のDLC薄膜が得られる。When the distance between the anode electrode and the cathode electrode is changed as described above, the bias voltage (self-bias voltage) can be controlled, and as a result, the temperature of the plasma and its surrounding atmosphere can be easily controlled. The RF-PECVD method can be stably performed at a temperature of, and a DLC thin film having high conductivity can be obtained.
【0014】本発明のDLC薄膜製造装置において用い
られアノード電極とカソード電極との間に発生するプラ
ズマの周辺雰囲気の温度を制御する手段は、特に限定さ
れるものではなく、電極間に発生するプラズマの周辺部
を測温できるとともに加熱および/または冷却できるよ
うになっていればよい。また、本発明のDLC薄膜製造
装置においてアノード電極とカソード電極との間隔を変
化させる手段も特に限定されるものではなく、アノード
電極およびカソード電極のいずれか一方または両方が機
械的に移動することによりその間の距離が変化するよう
になっていればよい。The means for controlling the temperature of the surrounding atmosphere of the plasma generated between the anode electrode and the cathode electrode used in the apparatus for manufacturing a DLC thin film of the present invention is not particularly limited. It suffices if it is possible to measure the temperature of the peripheral portion of the device and to heat and / or cool it. In the DLC thin film manufacturing apparatus of the present invention, the means for changing the distance between the anode electrode and the cathode electrode is also not particularly limited, and one or both of the anode electrode and the cathode electrode are mechanically moved. It suffices if the distance between them changes.
【0015】以下、図面に示す本発明の好ましい実施の
形態に沿って本発明を説明する。図2は本発明の高導電
率DLC薄膜成膜装置の好ましい例の概略図である。1
0は内部を真空にする真空チャンバー、12は真空チャ
ンバー10内の排気を行う排気ポンプ、15は表面にD
LC薄膜が形成される例えばガラスのような基材であ
り、カソード電極6に保持されている。Hereinafter, the present invention will be described with reference to the preferred embodiments of the present invention shown in the drawings. FIG. 2 is a schematic view of a preferred example of the high conductivity DLC thin film forming apparatus of the present invention. 1
0 is a vacuum chamber for evacuating the inside, 12 is an exhaust pump for evacuating the vacuum chamber 10, and 15 is a D pump on the surface.
The base material such as glass on which the LC thin film is formed is held by the cathode electrode 6.
【0016】1はジャケット付で円筒形状を成すアノー
ド室であり、このアノード室は、ガス供給装置30を備
えるアノード電極を収容している。そして、アノード室
1は図に示されるように、電極間に発生するプラズマ8
を包み込むような大きさ(内容積)を有し、且つそのカ
ソード側が開放された形状を成す。アノード室1の周り
にはヒーター(例えば、ニクロム線)4が巻装され、そ
のジャケット内には冷却水が流れるように冷却水管3が
配備され、さらに、アノード室の壁温を測定する温度セ
ンサー(例えば、熱電対)が取り付けられ、これらの円
筒状アノード室1、ヒーター4、冷却水管3および温度
センサー5から、プラズマの周辺雰囲気の温度を制御す
る手段が構成される。Reference numeral 1 denotes a cylindrical anode chamber having a jacket, and this anode chamber houses an anode electrode provided with a gas supply device 30. Then, as shown in the figure, the anode chamber 1 has a plasma 8 generated between the electrodes.
And has a size (inner volume) that encloses the, and its cathode side is open. A heater (for example, a nichrome wire) 4 is wound around the anode chamber 1, a cooling water pipe 3 is provided in the jacket to allow cooling water to flow, and a temperature sensor for measuring the wall temperature of the anode chamber 1 (For example, a thermocouple) is attached, and the cylindrical anode chamber 1, the heater 4, the cooling water pipe 3, and the temperature sensor 5 constitute a means for controlling the temperature of the atmosphere around the plasma.
【0017】本発明のDLC薄膜製造装置の特に好まし
い態様においては、上記のようにアノード室1、ガス供
給装置30を有するアノード電極2、ヒーター4、冷却
水管3および温度センサー5から成るプラズマ周辺雰囲
気温度制御手段が全体として垂直方向(上下方向)に移
動可能になっており、これによって、アノード電極2と
カソード電極6(したがって、これに保持された基材1
5)との間隔が可変となり、基材もしくはカソード電極
へ印加されるバイアス電圧(自己バイアス電圧)を変化
させることができる。In a particularly preferred embodiment of the apparatus for producing a DLC thin film of the present invention, as described above, the plasma surrounding atmosphere comprising the anode chamber 1, the anode electrode 2 having the gas supply device 30, the heater 4, the cooling water pipe 3, and the temperature sensor 5 is provided. The temperature control means is movable in the vertical direction (up and down direction) as a whole, whereby the anode electrode 2 and the cathode electrode 6 (therefore, the base material 1 held by the
5) becomes variable, and the bias voltage (self-bias voltage) applied to the base material or the cathode electrode can be changed.
【0018】図6は、そのようなプラズマ周辺雰囲気温
度制御手段の可動装置の例を示す。図において、31は
ガス供給装置30の一部を収容し、アノード室1および
アノード電極2に固定された昇降支柱である。この支柱
31にはラックが螺設され、該ラックはハンドル32に
螺設されたピニオンと歯合するようになっている。かく
して、ハンドル32を回転することにより、支柱31が
昇降し、それに応じて、アノード室1、アノード電極
2、ヒーター4、冷却水管3および温度センサー5から
成るプラズマ周辺雰囲気温度制御手段が全体として垂直
方向(上下方向)に移動することができる。なお、プラ
ズマ周辺雰囲気温度制御手段を稼動する機構としては、
上記のようなラック−ピニオン機構に限られず、ハンド
ル32の回転を支柱31の直線運動(昇降運動)に変え
得るものであれば、他の機構、例えば、カム機構、すべ
り子クランク機構などを採用することも可能である。FIG. 6 shows an example of a movable device of such a plasma peripheral atmosphere temperature control means. In the drawing, reference numeral 31 denotes a lifting column fixed to the anode chamber 1 and the anode electrode 2, which accommodates a part of the gas supply device 30. A rack is screwed on the support 31, and the rack meshes with a pinion screwed on the handle 32. Thus, by rotating the handle 32, the column 31 is moved up and down, and accordingly, the plasma ambient atmosphere temperature control means including the anode chamber 1, the anode electrode 2, the heater 4, the cooling water pipe 3, and the temperature sensor 5 is vertically moved as a whole. Direction (up and down direction). The mechanism for operating the ambient temperature control means around the plasma includes:
The mechanism is not limited to the rack-pinion mechanism as described above, and any other mechanism, such as a cam mechanism or a slider crank mechanism, may be used as long as the rotation of the handle 32 can be changed to the linear movement (elevation movement) of the column 31. It is also possible.
【0019】ヒーター4は真空チャンバー10の外部に
設置されたアノード温度コントローラ9に接続され加熱
出力が調整されるようになっている。アノード電極2に
連結されたガス供給装置30は真空チャンバー10の外
部に設置されたガス流量制御装置(MFC)17に接続
され各種の原料ガス(反応ガス)、例えばメタン、窒素
等の混合ガスが供給可能なようになっている。また、ア
ノード室1のジャケット内に配設された冷却用水管3
は、加熱ヒーター4が動作していないときに希望とする
アノード電極温度より低くなるように水を流しており、
これにより、アノード電極2の温度設定が容易となり、
電極間に発生するプラズマの周辺雰囲気の温度も迅速に
制御できる。The heater 4 is connected to an anode temperature controller 9 installed outside the vacuum chamber 10 so that the heating output is adjusted. A gas supply device 30 connected to the anode electrode 2 is connected to a gas flow control device (MFC) 17 installed outside the vacuum chamber 10 to supply various source gases (reaction gases), for example, a mixed gas such as methane and nitrogen. It can be supplied. Further, a cooling water pipe 3 provided in the jacket of the anode chamber 1
Is flowing water so as to be lower than the desired anode electrode temperature when the heater 4 is not operating,
Thereby, the temperature setting of the anode electrode 2 becomes easy,
The temperature of the atmosphere around the plasma generated between the electrodes can also be quickly controlled.
【0020】一方、カソード電極6はカソード冷却水管
11により水冷され、余剰プラズマを抑制するカソード
シールド7に外周を覆われている。13は、比較的低イ
ンピーダンスとなりやすいカソード電極と、通常出力イ
ンピーダンス50Ωの高周波電源のインピーダンスマッ
チングを目的とするマッチングボックスである。14は
高周波電源であり、その周波数は一般に13.56MH
zである。23はカソードバイアス電圧を測定する直流
電圧計で、フィルター回路(記述せず)により高周波成
分をカットしている。On the other hand, the cathode electrode 6 is water-cooled by a cathode cooling water pipe 11 and its outer periphery is covered with a cathode shield 7 for suppressing excess plasma. Reference numeral 13 denotes a matching box for the purpose of impedance matching between a cathode electrode, which tends to have a relatively low impedance, and a high-frequency power supply having a normal output impedance of 50Ω. Reference numeral 14 denotes a high-frequency power source whose frequency is generally 13.56 MHz.
z. Reference numeral 23 denotes a DC voltmeter for measuring a cathode bias voltage, which cuts high frequency components by a filter circuit (not shown).
【0021】以上のような構成のDLC薄膜製造装置を
作動させてDLC薄膜を製造するに当たっては、先ず、
排気系12によって真空チャンバー10内を所定の真空
度(たとえば、1×10−6Torr程度)に排気した後、
メインガス、例えば図に示すようにメタンガス(C
H4)をMFC17を調整して所定の流量(例えば、1
00sccm程度)に設定する。その後、排気系12に
接続されたゲートバルブ16の開度を調整して真空チャ
ンバー10内の圧力を数mTorr〜10mTorr程度とす
る。続いて、必要に応じて、メタンガス開閉バルブ20
を閉じて抵抗を下げる等の目的でドーピングガス、例え
ば、図に示すように窒素ガスをMFC18を調整して真
空チャンバー10内の圧力を数mTorr〜10mTorr程度
とする。その後メタンガス開閉バルブ20を開く。この
操作によって、メタンガスと窒素ガスが一定の比率に混
合され、ガス供給装置1より真空チャンバー10内に供
給される。この際、必要に応じて、アルゴン(Ar)の
ような稀釈ガスを混合することもある。なお、DLCを
生成するためのメインガスとして好ましい例は、メタン
であるが、これに限定されるものでなく、炭素原子と水
素原子とから構成される他のガス(例えばアセチレン)
も同様に使用できる。In manufacturing a DLC thin film by operating the DLC thin film manufacturing apparatus configured as described above, first,
After the inside of the vacuum chamber 10 is evacuated to a predetermined degree of vacuum (for example, about 1 × 10 −6 Torr) by the exhaust system 12,
Main gas, for example, methane gas (C
H 4 ) is adjusted to a predetermined flow rate (for example, 1
(Approximately 00 sccm). Thereafter, the opening degree of the gate valve 16 connected to the exhaust system 12 is adjusted so that the pressure in the vacuum chamber 10 is set to several mTorr to 10 mTorr. Subsequently, if necessary, the methane gas opening / closing valve 20
The pressure in the vacuum chamber 10 is adjusted to several mTorr to 10 mTorr by adjusting the MFC 18 with a doping gas, for example, a nitrogen gas as shown in FIG. Thereafter, the methane gas opening / closing valve 20 is opened. By this operation, the methane gas and the nitrogen gas are mixed at a fixed ratio, and are supplied from the gas supply device 1 into the vacuum chamber 10. At this time, if necessary, a diluting gas such as argon (Ar) may be mixed. A preferred example of the main gas for generating DLC is methane, but is not limited to this, and other gas composed of carbon atoms and hydrogen atoms (for example, acetylene)
Can be used as well.
【0022】真空チャンバー10内に所定のガスが導入
され所定の真空度が確保されたら、次に高周波電源より
13.56MHzの高周波電力を供給する。この結果、
アノード電極2とカソード電極6の間には高周波電界が
誘起され高周波グロー放電が起き、弱電離非平衡プラズ
マ8が生成され、高周波電界で加速された電子がガス成
分の解離、励起、電離を行っている。例えば、メタンを
用いる場合、プラズマ中では、電子衝突による解離反応
CH4+e→C+2H2、CH4+e→CH+H2+
H、CH4+e→CH2+2H、CH4+e→CH3+
Hが起こっていると考えられており、C、CH、C
H2、CH3は化学的に活性でありこれらの活性種がカ
ソード電極6上に保持された基材15上に到達してDL
C膜が成長する。プラズマ8とカソード電極6間にはカ
ソードシースが形成されアノード電極2が接地されてい
るため、カソード電極6が負に自己バイアスされる。After a predetermined gas is introduced into the vacuum chamber 10 and a predetermined degree of vacuum is secured, a high frequency power of 13.56 MHz is supplied from a high frequency power source. As a result,
A high-frequency electric field is induced between the anode electrode 2 and the cathode electrode 6 to generate a high-frequency glow discharge, and a weakly ionized non-equilibrium plasma 8 is generated. The electrons accelerated by the high-frequency electric field dissociate, excite, and ionize gas components. ing. For example, when methane is used, the dissociation reaction by electron collision CH 4 + e → C + 2H 2 and CH 4 + e → CH + H 2 + in plasma.
H, CH 4 + e → CH 2 + 2H, CH 4 + e → CH 3 +
H is thought to be occurring, C, CH, C
H 2 and CH 3 are chemically active, and these active species reach the base material 15 held on the cathode electrode 6 to form a DL.
A C film grows. Since a cathode sheath is formed between the plasma 8 and the cathode electrode 6 and the anode electrode 2 is grounded, the cathode electrode 6 is negatively self-biased.
【0023】本発明が対象とするDLCのような薄膜の
製造に当たっては、プラズマの自己バイアスによるイオ
ン衝撃を積極的に利用することを目的として、基材を保
持したカソード電極に高周波電界を印加し、これによっ
て、大面積の成膜が可能となる。そして、カソード電極
6を覆うようにカソードシールド7が配置され、カソー
ド電極との間隔は1mmから2mmの短い距離に保持さ
れて接地されている。カソード電極6に高周波電力を印
加したとき、カソード電極6とカソードシールド7の間
には高周波電界が存在し混合ガスを電離する要因とな
る。しかし、その間の距離が短いため電子や荷電粒子に
十分なエネルギーを与えることができず、この間隙にD
LC堆積に不要なプラズマは発生せずシールドが確保さ
れる。In the production of a thin film such as DLC to which the present invention is directed, a high-frequency electric field is applied to a cathode electrode holding a substrate for the purpose of positively utilizing the ion bombardment due to the self-bias of plasma. Thus, a large-area film can be formed. Then, a cathode shield 7 is arranged so as to cover the cathode electrode 6, and the gap with the cathode electrode is maintained at a short distance of 1 mm to 2 mm and grounded. When high-frequency power is applied to the cathode electrode 6, a high-frequency electric field exists between the cathode electrode 6 and the cathode shield 7, which causes ionization of the mixed gas. However, since the distance between them is short, sufficient energy cannot be given to electrons or charged particles, and D
Plasma unnecessary for LC deposition is not generated, and the shield is secured.
【0024】以上のようなRF−PECVD法のDLC
薄膜装置を作動させると、原料ガスが高周波電力により
電離されてイオン化されプラズマとなり、一部は解離さ
れて化学的に活性な励起原子や励起分子となる。ここ
で、最終的に得られるDLC薄膜の諸特性に影響を与え
る電離された荷電粒子、励起原子や励起分子の構成比率
はプラズマ温度と密接に関係していることが知られてい
る。また、カソード電極の自己バイアス電圧はイオンに
与えるエネルギーと密接に関係する。このように、プラ
ズマ温度とカソード電極の自己バイアス電圧は、DLC
薄膜の膜質に影響を与える重要な因子と考えられるが、
従来のRF−PECVD法においては、これらを積極的
に制御することは行われていなかった。DLC of RF-PECVD method as described above
When the thin-film device is operated, the raw material gas is ionized by high-frequency power and ionized to form plasma, and a part thereof is dissociated into chemically active excited atoms or molecules. Here, it is known that the constituent ratio of the ionized charged particles, excited atoms and excited molecules which affect various properties of the finally obtained DLC thin film is closely related to the plasma temperature. Further, the self-bias voltage of the cathode electrode is closely related to the energy applied to the ions. Thus, the plasma temperature and the self-bias voltage of the cathode
It is considered to be an important factor affecting the quality of the thin film.
In the conventional RF-PECVD method, these are not actively controlled.
【0025】例えば、カソード電極を冷却するようなこ
とは行われていたが、反応域のプラズマの温度を制御す
るようなことは試みておらず、また、カソード電極の自
己バイアス電圧についても、バイアス手段としてカソー
ド近傍に発生するシースを利用し、バイアス電圧の制御
手段としてカソードに印加する高周波電力を変化させる
にすぎなかった。すなわち、従来のRF−PECVD装
置は、言わば場当たり的に操作条件を設定しながら成膜
していたため、高品質のDLC薄膜を再現性良く得るこ
とができず、特に、高導電率(低抵抗)のDLC薄膜が
得られず産業用装置としては適していない点も残されて
いた。For example, although cooling of the cathode electrode has been carried out, no attempt has been made to control the temperature of the plasma in the reaction zone. As a means, a sheath generated near the cathode is used, and only a high-frequency power applied to the cathode is changed as a means for controlling a bias voltage. That is, in the conventional RF-PECVD apparatus, since a film is formed while setting operating conditions on a random basis, a high-quality DLC thin film cannot be obtained with good reproducibility, and in particular, high conductivity (low resistance) A DLC thin film was not obtained, and it was not suitable for industrial equipment.
【0026】これに対して、プラズマの周辺温度を制御
する手段を有しアノード/カソード電極間隔が変化し得
るようになっている本発明のDLC薄膜装置を用いれ
ば、プラズマの温度を可及的に一定に保つことにより、
自己バイアス電圧などの操作条件を確実且つ広範囲にわ
たって変化させながらRF−CVD法を実施することが
でき、この結果、従来のRF−CVD法においては見ら
れない高導電率(低抵抗)のDLC薄膜を得ることがで
きる。On the other hand, if the DLC thin film apparatus of the present invention, which has means for controlling the peripheral temperature of the plasma and can change the distance between the anode and the cathode, is used, the temperature of the plasma can be reduced as much as possible. By keeping constant
The RF-CVD method can be performed while reliably changing the operating conditions such as the self-bias voltage over a wide range. As a result, a high-conductivity (low-resistance) DLC thin film not found in the conventional RF-CVD method is obtained. Can be obtained.
【0027】例えば、図3は、電極(アノード電極およ
びカソード電極)の大きさが直径125mm、アノード
室の内径200mmで、図6に示すように、それらを有
するプラズマ周辺温度制御手段が垂直方向に移動し得る
本発明のDLC薄膜製造装置を用い、真空度10mTor
r、高周波電界(13.56MHz)の出力200Wの
条件下に、メタンおよび窒素から成る原料ガス(窒素分
率0.3)から、プラズマの周辺雰囲気の温度を約10
0℃保ちながら、アノード電極とカソード電極との間隔
を10mm〜20mmに変えることによりカソード電極
の自己バイアス電圧を変化させて行った実施した実験に
おける自己バイアスとDLC薄膜の抵抗率との関係を図
示したものである。図に示されるように、明らかに特定
の電圧で抵抗率が低くなっており、本発明の装置を用い
れば、きわめて抵抗率の低いDLC薄膜を得ることがで
きる。For example, FIG. 3 shows that the size of the electrodes (anode electrode and cathode electrode) is 125 mm in diameter and the inside diameter of the anode chamber is 200 mm, and as shown in FIG. Using the movable DLC thin film manufacturing apparatus of the present invention, the degree of vacuum is 10 mTorr.
r, under the condition of a high-frequency electric field (13.56 MHz) output of 200 W, the temperature of the atmosphere around the plasma was reduced to about 10 from a raw material gas (nitrogen fraction: 0.3) composed of methane and nitrogen.
The relationship between the self-bias and the resistivity of the DLC thin film in an experiment conducted by changing the self-bias voltage of the cathode electrode by changing the interval between the anode electrode and the cathode electrode to 10 mm to 20 mm while maintaining 0 ° C. It was done. As shown in the figure, the resistivity is clearly lower at a specific voltage, and a DLC thin film having a very low resistivity can be obtained by using the apparatus of the present invention.
【0028】また、図4は、上記と同様の操作である
が、カソードの自己バイアス電圧を−1100Vに保持
して行ったDLC薄膜成膜時の窒素分率とDLC薄膜の
抵抗率の関係を示す。本発明の装置を用いプラズマの雰
囲気温度を制御することにより、従来は不可能であった
広範囲にわたって窒素分率を変えてRF−PECVD法
によるDLC薄膜の製造を行うことができ、それに応じ
て高導電率(抵抗率の低い)DLC薄膜が得られる。FIG. 4 shows the same operation as above, but shows the relationship between the nitrogen fraction and the resistivity of the DLC thin film when the DLC thin film was formed while maintaining the cathode self-bias voltage at -1100 V. Show. By controlling the ambient temperature of the plasma using the apparatus of the present invention, it is possible to manufacture a DLC thin film by RF-PECVD by changing the nitrogen fraction over a wide range which has not been possible in the past. A DLC thin film of conductivity (low resistivity) is obtained.
【0029】また、図5は、以上のようにして得られた
DLC薄膜のラマン分光光度計によって測定されたラマ
ンスペクトルの1例である。1574cm−1付近のG
ピーク、1380cm−1付近のDピークがDLC特有
のパターンを示し、DLC薄膜が形成されていることが
確認できる。FIG. 5 shows an example of a Raman spectrum of the DLC thin film obtained as described above, measured by a Raman spectrophotometer. G near 1574 cm -1
The peak, a D peak near 1380 cm −1 , shows a pattern unique to DLC, and it can be confirmed that a DLC thin film is formed.
【0030】本発明によれば、抵抗率として10(oh
m−cm)以下のDLC薄膜を製造することができ約
0.1(ohm−cm)というようなきわめて高導電率
のDLC薄膜を得ることもできる。表1は、ドーピング
ガスとして窒素を用いたRF−RECVDによりDLC
薄膜を製造したこれまでの報告例を示す。本発明のDL
C薄膜装置を用いれば、きわめて高導電率のDLC薄膜
が得られることが理解される。According to the present invention, the resistivity is 10 (oh)
m-cm) or less, and a DLC thin film having an extremely high conductivity of about 0.1 (ohm-cm) can be obtained. Table 1 shows DLC by RF-RECVD using nitrogen as doping gas.
The following is an example of a report on the production of a thin film. DL of the present invention
It is understood that the use of the C thin film device can provide a DLC thin film having extremely high conductivity.
【0031】[0031]
【表1】 [Table 1]
【0032】[0032]
【発明の効果】以上のように、本発明によるDLC薄膜
製造装置は、プラズマの周辺温度制御手段とカソード電
極自己バイアス制御手段とを備えて、荷電粒子、励起原
子や励起分子の生成量を容易に制御できるため、高導電
率DLC薄膜を容易に形成できる効果がある。かくし
て、本発明に従えば、RF−PECVD法による表面平
坦性に優れ、しかも0.1(ohm−cm)程度の低抵
抗率を有し、各種の用途に有用な新しいタイプのDLC
薄膜が得られる。As described above, the apparatus for manufacturing a DLC thin film according to the present invention comprises the means for controlling the temperature around the plasma and the means for controlling the self-bias of the cathode electrode, thereby facilitating the generation of charged particles, excited atoms and excited molecules. Therefore, there is an effect that a high-conductivity DLC thin film can be easily formed. Thus, according to the present invention, a new type of DLC which is excellent in surface flatness by RF-PECVD and has a low resistivity of about 0.1 (ohm-cm), and is useful for various uses.
A thin film is obtained.
【図1】従来のDLC薄膜製造装置の典型例の断面図で
ある。FIG. 1 is a cross-sectional view of a typical example of a conventional DLC thin film manufacturing apparatus.
【図2】本発明のDLC薄膜製造装置の好ましい例の断
面図である。FIG. 2 is a sectional view of a preferred example of a DLC thin film manufacturing apparatus of the present invention.
【図3】本発明の装置を用いるDLC薄膜成膜時のカソ
ード電極バイアス電圧とDLC薄膜の抵抗率の関係を示
すグラフである。FIG. 3 is a graph showing a relationship between a cathode electrode bias voltage and a resistivity of a DLC thin film when a DLC thin film is formed using the apparatus of the present invention.
【図4】本発明の装置を用いるDLC薄膜成膜時の窒素
分率とDLC薄膜の抵抗率の関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the nitrogen fraction and the resistivity of a DLC thin film when a DLC thin film is formed using the apparatus of the present invention.
【図5】本発明によって得られたDLC薄膜のラマンス
ペクトルの1例である。FIG. 5 is an example of a Raman spectrum of a DLC thin film obtained according to the present invention.
【図6】本発明のプラズマ周辺雰囲気温度制御手段の可
動装置の1例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing one example of a movable device of the plasma ambient atmosphere temperature control means of the present invention.
1 アノード室 2 アノード電極 3 冷却水管 4 ヒーター 5 温度センサー 6 カソード電極 8 プラズマ 10 真空チャンバー 15 基材 30 ガス供給装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Anode chamber 2 Anode electrode 3 Cooling water pipe 4 Heater 5 Temperature sensor 6 Cathode electrode 8 Plasma 10 Vacuum chamber 15 Substrate 30 Gas supply device
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井芹 陽一 福岡県田川市大字川宮1424−1 Fターム(参考) 4K030 AA09 AA10 AA18 BA28 FA03 JA03 KA14 KA20 KA23 KA25 KA26 KA30 KA39 KA41 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Yoichi Iseri 144-1, Omiya Kawamiya, Fagawa, Fukuoka F-term (reference) 4K030 AA09 AA10 AA18 BA28 FA03 JA03 KA14 KA20 KA23 KA25 KA26 KA30 KA39 KA41
Claims (4)
対向するアノード電極との間に所定の真空度で導入した
原料ガスに高周波電界を印加しプラズマを発生させて基
材上に炭素を堆積させることによりDLC薄膜を製造す
る装置において、前記電極間に発生するプラズマの周辺
雰囲気の温度を制御する手段が設けられていることを特
徴とするDLC薄膜製造装置。1. A high-frequency electric field is applied to a raw material gas introduced at a predetermined degree of vacuum between a cathode electrode holding a base material and an anode electrode facing the cathode electrode to generate plasma and carbon on the base material. An apparatus for manufacturing a DLC thin film by depositing, comprising means for controlling a temperature of an atmosphere around a plasma generated between the electrodes, the apparatus being provided with a DLC thin film.
する手段が、ガス供給装置を備えるアノード電極を収容
し電極間に発生するプラズマを包み込むような大きさを
有しカソード電極側が開放されたジャケット付円筒状の
アノード室、該アノード室の周りに巻装されたヒータ
ー、該アノード室のジャケット内を流れる冷却水、およ
び該アノード室の壁温を測定する温度センサーから成る
ことを特徴とする請求項1のDLC薄膜製造装置。2. A jacket, wherein said means for controlling the temperature of the ambient atmosphere of said plasma accommodates an anode electrode provided with a gas supply device and is sized to wrap the plasma generated between the electrodes, and has a cathode electrode side opened. A cylindrical anode chamber, a heater wound around the anode chamber, cooling water flowing in a jacket of the anode chamber, and a temperature sensor for measuring a wall temperature of the anode chamber. Item 1. A DLC thin film manufacturing apparatus according to Item 1.
変化し得るようになっていることを特徴とする請求項1
または請求項2のDLC薄膜製造装置。3. The apparatus according to claim 1, wherein the distance between the anode electrode and the cathode electrode can be changed.
Or the DLC thin film manufacturing apparatus according to claim 2.
する手段が垂直方向に可動となっていることによりアノ
ード電極とカソード電極との間隔が変化し得るようにな
っていることを特徴とする請求項3のDLC薄膜製造装
置。4. The apparatus according to claim 1, wherein the means for controlling the temperature of the atmosphere surrounding the plasma is vertically movable, so that the distance between the anode electrode and the cathode electrode can be changed. Item 3. A DLC thin film manufacturing apparatus according to Item 3.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33880999A JP2001152338A (en) | 1999-11-29 | 1999-11-29 | Manufacturing apparatus for diamond-like high conductivity carbon(dlc) thin film |
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ID=18321676
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JP33880999A Pending JP2001152338A (en) | 1999-11-29 | 1999-11-29 | Manufacturing apparatus for diamond-like high conductivity carbon(dlc) thin film |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001152338A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1312698A1 (en) * | 2001-11-14 | 2003-05-21 | Anelva Corporation | Heating element CVD System and heating element CVD method using the same |
KR100448880B1 (en) * | 2001-09-28 | 2004-09-18 | 김성훈 | Protein chip plate and manufacturing method of the same plate using plasma |
KR100501339B1 (en) * | 2001-11-02 | 2005-07-18 | 주성엔지니어링(주) | Plasma apparatus |
WO2021109377A1 (en) * | 2019-12-04 | 2021-06-10 | 江苏菲沃泰纳米科技有限公司 | Coating equipment for preparing dlc and use thereof |
-
1999
- 1999-11-29 JP JP33880999A patent/JP2001152338A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100448880B1 (en) * | 2001-09-28 | 2004-09-18 | 김성훈 | Protein chip plate and manufacturing method of the same plate using plasma |
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WO2021109377A1 (en) * | 2019-12-04 | 2021-06-10 | 江苏菲沃泰纳米科技有限公司 | Coating equipment for preparing dlc and use thereof |
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