JP2001262342A - Method for depositing hard carbon film and device for depositing hard carbon film - Google Patents
Method for depositing hard carbon film and device for depositing hard carbon filmInfo
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Landscapes
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電気カミソリ刃や
半導体などの基板の表面に、硬質炭素被膜を形成する方
法に関するものであり、特にECR(電子サイクロトロ
ン共鳴)プラズマCVD法により硬質炭素被膜を形成す
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 carbon film on a surface of a substrate such as an electric razor blade or a semiconductor. It relates to a method of forming.
【0002】[0002]
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】硬質炭
素被膜は、硬度、平滑性などに優れていることから、表
面保護膜として、種々の製品への応用が期待されている
材料であり、既に実用化されているものもある。実用化
に際しては、様々な取り組みがなされており、中でも高
速形成及び低温形成の観点から、従来より、ECRプラ
ズマCVD法により硬質炭素被膜が形成されている。原
料ガスとしては、メタン(CH4)ガスあるいはメタンガ
スとアルゴンガス及び/または水素ガスとの混合ガスが
用いられている。2. Description of the Related Art Hard carbon coatings are excellent in hardness, smoothness, etc., and are expected to be applied to various products as surface protective films. Some are already in practical use. For practical use, various approaches have been made. Among them, from the viewpoint of high-speed formation and low-temperature formation, hard carbon coatings have conventionally been formed by ECR plasma CVD. As the raw material gas, methane (CH 4 ) gas or a mixed gas of methane gas, argon gas and / or hydrogen gas is used.
【0003】しかしながら、最近においては、特開平8
−158050号公報に示されるように、原料ガスとし
てメタンガスに代えてエチレン(C2H4)ガスを使用す
る硬質炭素被膜の形成方法が提案されている。該公報で
は、反応室内でのエチレンガスの圧力を最適化すること
により、成膜速度の改善が図られている。しかしなが
ら、その成膜速度は270Å/分程度であり、未だ不十
分なものであった。However, recently, Japanese Patent Laid-Open No.
As shown in -158050 discloses, ethylene (C 2 H 4) a method of forming the hard carbon film to use the gas has been proposed instead of the methane gas as a source gas. In this publication, the film formation rate is improved by optimizing the pressure of ethylene gas in the reaction chamber. However, the film formation rate was about 270 ° / min, which was still insufficient.
【0004】本発明の目的は、硬質炭素被膜を高い成膜
速度でかつ低温で形成することができる硬質炭素被膜の
形成方法及び形成装置を提供することにある。An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for forming a hard carbon coating capable of forming a hard carbon coating at a high deposition rate and at a low temperature.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明の硬質炭素被膜の
形成方法は、プラズマ発生室にArガスを供給すると共
に、マイクロ波電力を導入して電子サイクロトロン共鳴
によるArプラズマを発生させ、該Arプラズマを真空
チャンバー内に配置した基板ホルダー上の基板に照射す
ると同時に、真空チャンバーに炭化水素ガスを供給し
て、基板上に硬質炭素被膜を形成する硬質炭素被膜の形
成方法であり、炭化水素ガスとして不飽和結合を有する
炭化水素ガスを用い、Arガスの供給流量を炭化水素ガ
スの供給流量以下とし、マイクロ波の投入電力密度をプ
ラズマ発生室の単位容積あたり0.02〜0.15W/
cm3 の範囲にすると共に、基板に実質的に−10〜−
150Vのバイアス電圧を印加することを特徴としてい
る。According to the method of forming a hard carbon film of the present invention, Ar gas is supplied to a plasma generation chamber, and microwave power is introduced to generate Ar plasma by electron cyclotron resonance. A method of forming a hard carbon film on a substrate by simultaneously irradiating a plasma on a substrate on a substrate holder arranged in a vacuum chamber and supplying a hydrocarbon gas to the vacuum chamber to form a hard carbon film on the substrate. , A supply flow rate of the Ar gas is set to be equal to or less than a supply flow rate of the hydrocarbon gas, and a microwave input power density is set to 0.02 to 0.15 W / per unit volume of the plasma generation chamber.
cm 3 and substantially −10−−
It is characterized in that a bias voltage of 150 V is applied.
【0006】本発明において用いる不飽和結合を有する
炭化水素ガスとしては、具体的には、エチレン(C
2H4)ガス及びアセチレン(C2H2)ガスなどが挙げら
れる。本発明においては、Arガスの供給流量を、炭化
水素ガスの供給流量以下に制御している。また、Arガ
スをプラズマ発生室内に供給し、炭化水素ガスを真空チ
ャンバー内に供給している。本発明に従いArガスと炭
化水素ガスとをそれぞれ別個に供給し、かつArガスの
供給流量を炭化水素ガスの供給流量以下とすることによ
り、高い成膜速度を得ることができる。As the hydrocarbon gas having an unsaturated bond used in the present invention, specifically, ethylene (C
2 H 4 ) gas and acetylene (C 2 H 2 ) gas. In the present invention, the supply flow rate of the Ar gas is controlled to be equal to or less than the supply flow rate of the hydrocarbon gas. Further, an Ar gas is supplied into the plasma generation chamber, and a hydrocarbon gas is supplied into the vacuum chamber. According to the present invention, a high film forming rate can be obtained by separately supplying the Ar gas and the hydrocarbon gas and setting the supply flow rate of the Ar gas to be equal to or less than the supply flow rate of the hydrocarbon gas.
【0007】また、マイクロ波の投入電力密度をプラズ
マ発生室の単位面積あたり0.02〜0.15W/cm
3 の範囲とすることにより、基板温度を上昇させること
なく、高い成膜速度を得ることができる。In addition, the input power density of the microwave is set to 0.02 to 0.15 W / cm per unit area of the plasma generation chamber.
By setting the range of 3 , a high film forming rate can be obtained without increasing the substrate temperature.
【0008】また、基板に実質的に−10〜−150V
のバイアス電圧を印加することにより、高い硬度の硬質
炭素被膜を形成することができる。本発明において、真
空チャンバー内の真空度は、1×10-2〜1×10-4T
orrの範囲内であることが好ましい。このような範囲
内とすることにより、特に高い成膜速度を得ることがで
きる。Further, the substrate is substantially -10 to -150 V
By applying the bias voltage, a hard carbon film having high hardness can be formed. In the present invention, the degree of vacuum in the vacuum chamber is 1 × 10 −2 to 1 × 10 −4 T.
It is preferably within the range of orr. By setting it in such a range, a particularly high film formation rate can be obtained.
【0009】本発明においては、基板に対して、高周波
電圧及びパルス電圧のいずれかを印加することにより、
−10〜−150Vのバイアス電圧を印加することが好
ましい。In the present invention, by applying either a high-frequency voltage or a pulse voltage to the substrate,
It is preferable to apply a bias voltage of −10 to −150 V.
【0010】また、本発明においては、Arプラズマを
基板に対して断続的に照射してもよい。Arプラズマを
基板に対して断続的に照射することにより、成膜の際の
基板の温度上昇を抑制することができ、基板に対するダ
メージを低減することができる。In the present invention, the substrate may be irradiated with Ar plasma intermittently. By irradiating the substrate with the Ar plasma intermittently, a rise in the temperature of the substrate during film formation can be suppressed, and damage to the substrate can be reduced.
【0011】基板へのArプラズマの断続的な照射は、
基板ホルダーを回転させることにより行ってもよい。こ
の際、好ましくは、開口部を有するシールドカバー内で
基板ホルダーを回転させることによりArプラズマを断
続的に基板に照射する。The intermittent irradiation of the substrate with Ar plasma is as follows:
This may be performed by rotating the substrate holder. At this time, preferably, the substrate is intermittently irradiated with Ar plasma by rotating the substrate holder within a shield cover having an opening.
【0012】また、炭化水素ガスは、シールドカバー内
部に向けて導入することが好ましい。これにより、炭化
水素ガスが効率的に分解されて、成膜速度を高めること
ができる。また、プラズマ発生室への炭化水素ガスの混
入を少なくすることができ、プラズマ発生室内での膜の
付着を減少させることができる。Preferably, the hydrocarbon gas is introduced toward the inside of the shield cover. Thereby, the hydrocarbon gas is efficiently decomposed, and the film forming speed can be increased. In addition, mixing of hydrocarbon gas into the plasma generation chamber can be reduced, and adhesion of a film in the plasma generation chamber can be reduced.
【0013】本発明の硬質炭素被膜形成装置は、不飽和
結合を有する炭化水素ガスを原料ガスとして用いて基板
上に硬質炭素被膜を形成するための硬質炭素被膜形成装
置であり、基板が配置される真空チャンバーと、真空チ
ャンバーに隣接して設けられ、真空チャンバー内の基板
に照射されるプラズマを発生するためのプラズマ発生室
と、真空チャンバーとプラズマ発生室の間に設けられ
る、アパーチャが形成された仕切り板と、プラズマ発生
室にマイクロ波を供給するためのマイクロ波供給手段
と、基板にバイアス電圧を印加するための電源とを備え
ることを特徴としている。The hard carbon film forming apparatus of the present invention is a hard carbon film forming apparatus for forming a hard carbon film on a substrate using a hydrocarbon gas having an unsaturated bond as a raw material gas. A vacuum chamber provided adjacent to the vacuum chamber, a plasma generation chamber for generating plasma for irradiating a substrate in the vacuum chamber, and an aperture provided between the vacuum chamber and the plasma generation chamber. And a microwave supply means for supplying microwaves to the plasma generation chamber, and a power supply for applying a bias voltage to the substrate.
【0014】本発明の硬質炭素被膜形成装置において
は、真空チャンバーとプラズマ発生室の間に、アパーチ
ャが形成された仕切り板が設けられている。このため、
プラズマ発生室内の圧力を高めることができ、より少な
いガス流量でArプラズマを発生し維持することができ
る。また、プラズマ発生室内に炭化水素ガスが侵入しに
くくなるため、プラズマ発生室内での膜の付着を減少さ
せることができる。従って、内部清掃を含めたメンテナ
ンスが容易になる。また、仕切り板のアパーチャを通し
てArプラズマを真空チャンバー内に導入するので、A
rプラズマの照射領域を限定することができ、Arプラ
ズマによる基板及び基板ホルダーの不要な温度上昇を抑
制することができる。In the apparatus for forming a hard carbon film according to the present invention, a partition plate having an aperture is provided between the vacuum chamber and the plasma generation chamber. For this reason,
The pressure in the plasma generation chamber can be increased, and Ar plasma can be generated and maintained with a smaller gas flow rate. In addition, since it is difficult for hydrocarbon gas to enter the plasma generation chamber, it is possible to reduce film adhesion in the plasma generation chamber. Therefore, maintenance including internal cleaning becomes easy. Further, since Ar plasma is introduced into the vacuum chamber through the aperture of the partition plate, A plasma is introduced.
The irradiation region of r plasma can be limited, and unnecessary temperature rise of the substrate and the substrate holder due to Ar plasma can be suppressed.
【0015】本発明の硬質炭素被膜形成装置において
は、好ましくは、基板を外周面に装着する回転可能な筒
状の基板ホルダーと、プラズマ発生室からのプラズマを
導入するための開口部を有する、基板ホルダーを覆うた
めのシールドカバーとをさらに備えている。The apparatus for forming a hard carbon film of the present invention preferably has a rotatable cylindrical substrate holder for mounting a substrate on an outer peripheral surface, and an opening for introducing plasma from a plasma generation chamber. A shield cover for covering the substrate holder.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例に基づいて
さらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら
限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲に
おいて適宜変更して実施することが可能なものである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples, and may be appropriately modified within the scope of the invention. It can be implemented by
【0017】図1は、本発明に従う実施例の硬質炭素被
膜形成装置を示す概略断面図である。図1を参照して、
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、放電ガス導入管
5からアルゴン(Ar)ガスなどの放電ガスが導入され
る。プラズマ発生室4の周囲には、プラズマ発生用磁気
回路6が設けられている。マイクロ波による高周波電界
と磁気回路6からの磁界を作用させることにより、プラ
ズマ発生室4に高密度のプラズマが発生する。このプラ
ズマは、磁気回路6による発散磁界に沿って、仕切り板
14のアパーチャ14aを通り、真空チャンバー7内に
導かれる。FIG. 1 is a schematic sectional view showing an apparatus for forming a hard carbon film according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
Microwaves generated by the microwave supply means 1 are guided to the plasma generation chamber 4 through the waveguide 2 and the microwave introduction window 3. A discharge gas such as an argon (Ar) gas is introduced into the plasma generation chamber 4 from a discharge gas introduction pipe 5. A magnetic circuit 6 for plasma generation is provided around the plasma generation chamber 4. A high-density plasma is generated in the plasma generation chamber 4 by applying a high-frequency electric field generated by a microwave and a magnetic field from the magnetic circuit 6. This plasma is guided into the vacuum chamber 7 through the aperture 14 a of the partition plate 14 along the divergent magnetic field generated by the magnetic circuit 6.
【0018】真空チャンバー7内には、筒状の基板ホル
ダー8が設けられている。筒状の基板ホルダー8は、真
空チャンバー7の背面に対し垂直に取り付けられた軸
(図示せず)のまわりに回転可能に設けられている。基
板ホルダー8の外周面には、基板9が装着されており、
複数個の基板9を取り付けることが可能となっている。In the vacuum chamber 7, a cylindrical substrate holder 8 is provided. The cylindrical substrate holder 8 is provided so as to be rotatable around an axis (not shown) vertically attached to the back surface of the vacuum chamber 7. A substrate 9 is mounted on the outer peripheral surface of the substrate holder 8,
A plurality of substrates 9 can be attached.
【0019】基板ホルダー8には、高周波電源10(周
波数13.56MHz、最大出力300W)が接続さ
れ、その出力を変化させることにより、基板9に所望の
負のバイアス電圧を印加することができる。これは、プ
ラズマ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、電子は追従するが、イオンは追従できないことを利
用している。従って、高周波電圧を基板9に印加するこ
とにより、基板9には負のバイアス電圧が発生すること
になり、プラズマ中の正イオンが引き込まれ、基板9上
に硬質炭素被膜が形成される。A high-frequency power supply 10 (frequency 13.56 MHz, maximum output 300 W) is connected to the substrate holder 8, and a desired negative bias voltage can be applied to the substrate 9 by changing the output. This utilizes the fact that electrons follow the potential fluctuation during application of a high-frequency voltage because ions move at a slower speed due to an electric field in plasma than electrons, but ions cannot follow. Therefore, when a high frequency voltage is applied to the substrate 9, a negative bias voltage is generated in the substrate 9, positive ions in the plasma are attracted, and a hard carbon film is formed on the substrate 9.
【0020】基板ホルダー8のまわりには、基板ホルダ
ー8の外周面から所定距離隔てて金属製の筒状シールド
カバー11が設けられている。筒状シールドカバー11
は、接地電極に接続されている。A metallic cylindrical shield cover 11 is provided around the substrate holder 8 at a predetermined distance from the outer peripheral surface of the substrate holder 8. Cylindrical shield cover 11
Are connected to a ground electrode.
【0021】このシールドカバー11は、被膜形成時に
基板ホルダー8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ー8と真空チャンバー7との間
で放電が発生するのを防止するために設けられている。
基板ホルダー8とシールドカバー11との間隙は、真空
度にもよるが、数mm〜数cm程度が好ましい。なお、
本実施例ではその距離を約1cmとしている。The shield cover 11 is provided to prevent a discharge from occurring between the substrate holder 8 and the vacuum chamber 7 other than where the film is formed due to the high frequency voltage applied to the substrate holder 8 during the film formation. ing.
The gap between the substrate holder 8 and the shield cover 11 is preferably about several mm to several cm, depending on the degree of vacuum. In addition,
In this embodiment, the distance is about 1 cm.
【0022】仕切り板14のアパーチャ14aの下方の
シールドカバー11の部分には、開口部12が形成され
ている。この開口部12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8に装着された
基板9に照射される。ここで、基板ホルダー8がシール
ドカバー11内で回転すると、基板ホルダー8上に設置
された基板9は開口部12の下を順次通過し、各基板9
に対しては、開口部12を通って照射されるプラズマが
断続的に照射されることとなる。断続的なプラズマの照
射は、開口部12とプラズマ発生室4の間にシャッター
を設け、このシャッターを開閉することによっても可能
である。An opening 12 is formed in the shield cover 11 below the aperture 14a of the partition plate 14. The plasma drawn out of the plasma generation chamber 4 is irradiated to the substrate 9 mounted on the substrate holder 8 through the opening 12. Here, when the substrate holder 8 rotates within the shield cover 11, the substrates 9 placed on the substrate holder 8 sequentially pass under the opening 12, and each substrate 9
, The plasma irradiated through the opening 12 is intermittently irradiated. Intermittent plasma irradiation can also be performed by providing a shutter between the opening 12 and the plasma generation chamber 4 and opening and closing the shutter.
【0023】真空チャンバー7内には、原料ガスとして
のエチレンガスを導入するための反応ガス導入管13が
設けられている。この反応ガス導入管13の先端は、開
口部12の上方に位置している。A reaction gas introduction pipe 13 for introducing ethylene gas as a source gas is provided in the vacuum chamber 7. The tip of the reaction gas introduction pipe 13 is located above the opening 12.
【0024】図2は、反応ガス導入管の先端部近傍を示
す平面図である。図2に示すように、反応ガス導入管1
3は、真空チャンバー7内にガスを導入するためのガス
導入部13aと、このガス導入部13aに接続されたガ
ス放出部13bとから構成されている。ガス放出部13
bは、基板ホルダー8に対して、均一なガスを放出する
ためのものであり、複数の孔21が形成されている。本
実施例では、ガス放出をシールドカバー11の内側に向
けて行うため、孔21はガス放出部13bの下方約45
度方向に8個形成されている。このようにシールドカバ
ー11内部に向けて原料ガスを噴出することにより、基
板9付近の原料ガス濃度が高くなり、原料ガスの分解効
率が向上すると共に、プラズマ発生室4への原料ガスの
拡散が抑えられ、プラズマ発生室4内部での原料ガスの
分解が減少する。このため、プラズマ発生室4の内壁へ
の膜の付着が減少し、原料ガスの利用効率の向上やメン
テナンスの向上に効果的なものとなる。FIG. 2 is a plan view showing the vicinity of the tip of the reaction gas introduction pipe. As shown in FIG.
Reference numeral 3 denotes a gas introduction unit 13a for introducing a gas into the vacuum chamber 7, and a gas discharge unit 13b connected to the gas introduction unit 13a. Gas release unit 13
“b” is for discharging a uniform gas to the substrate holder 8 and has a plurality of holes 21 formed therein. In the present embodiment, since the gas is emitted toward the inside of the shield cover 11, the hole 21 is formed about 45 degrees below the gas emission portion 13b.
Eight are formed in the degree direction. By ejecting the source gas toward the inside of the shield cover 11 as described above, the source gas concentration in the vicinity of the substrate 9 is increased, the decomposition efficiency of the source gas is improved, and the diffusion of the source gas into the plasma generation chamber 4 is improved. As a result, decomposition of the source gas inside the plasma generation chamber 4 is reduced. For this reason, adhesion of the film to the inner wall of the plasma generation chamber 4 is reduced, which is effective for improving the utilization efficiency of the source gas and improving the maintenance.
【0025】次に、図1に示す装置を用いて、基板9の
表面に硬質炭素被膜を形成する実験例を説明する。 〔実験1〕まず、基板ホルダー8の外周面にSiからな
る基板9を装着した。次に、真空チャンバー7内を10
-6Torrまで排気し、放電ガス導入管5よりArガス
を供給すると共に、マイクロ波供給手段1から2.45
GHzのマイクロ波電力を供給し、プラズマ発生室4内
にArプラズマを発生させ、このプラズマを、アパーチ
ャ14a及び開口部12を通して、基板9に照射した。
このとき、基板ホルダー8は回転させず、停止した状態
とした。同時に、反応ガス導入管13よりエチレン(C
2H4)ガスを導入すると共に、基板9に−50Vのバイ
アス電圧が発生するように、高周波電源10から13.
56MHzの高周波電圧を基板ホルダー11に印加し
た。以上の工程を5分間行うことにより、基板9の上に
硬質炭素被膜を形成した。なお、マイクロ波電力密度
(投入電力/プラズマ発生室容積)は0.1W/cm3
に設定した。図1には、プラズマ発生室4の容積に対応
する領域にハッチングを付している。Next, an experimental example in which a hard carbon film is formed on the surface of the substrate 9 using the apparatus shown in FIG. 1 will be described. [Experiment 1] First, a substrate 9 made of Si was mounted on the outer peripheral surface of the substrate holder 8. Next, the inside of the vacuum chamber 7 is
-6 Torr, and Ar gas is supplied from the discharge gas introducing pipe 5, and the microwave supply unit 1 supplies 2.45 to 2.45 Torr.
A microwave power of GHz was supplied to generate Ar plasma in the plasma generation chamber 4, and this plasma was applied to the substrate 9 through the aperture 14 a and the opening 12.
At this time, the substrate holder 8 was stopped without rotating. At the same time, ethylene (C
2 H 4) as well as introducing a gas, as the bias voltage of -50V to the substrate 9 is generated from the high frequency power source 10 13.
A high frequency voltage of 56 MHz was applied to the substrate holder 11. By performing the above steps for 5 minutes, a hard carbon film was formed on the substrate 9. The microwave power density (input power / plasma generation chamber volume) was 0.1 W / cm 3
Set to. In FIG. 1, a region corresponding to the volume of the plasma generation chamber 4 is hatched.
【0026】表1に示すように、C2H4ガスの流量を4
0sccmと一定にし、Arガスの流量を変化させた。
なお、比較例3では、ArガスとC2H4ガスの混合ガス
を、表1に示すような流量で混合し、ガス放出管13か
ら真空チャンバー7内に供給して成膜を行った。それぞ
れの条件での成膜速度を表1に示す。As shown in Table 1, the flow rate of C 2 H 4 gas was 4
The flow rate of Ar gas was changed at a constant value of 0 sccm.
In Comparative Example 3, a mixed gas of an Ar gas and a C 2 H 4 gas was mixed at a flow rate as shown in Table 1 and supplied from the gas discharge pipe 13 into the vacuum chamber 7 to form a film. Table 1 shows the film forming rate under each condition.
【0027】また、炭化水素ガスとしてC2H4、C
2H2、及びCH4を用い、Arガス流量20sccm、
炭化水素ガス流量40sccmの条件で、成膜を行い、
そのときの成膜速度を求めた。結果を表2に示す。な
お、上記各成膜条件において、真空度は3×10-4〜4
×10-3Torrの範囲であった。Further, C 2 H 4 , C
Ar gas flow rate 20 sccm using 2 H 2 and CH 4 ,
Film formation is performed under the condition of a hydrocarbon gas flow rate of 40 sccm,
The deposition rate at that time was determined. Table 2 shows the results. In each of the above film forming conditions, the degree of vacuum was 3 × 10 −4 to 4
× 10 −3 Torr.
【0028】[0028]
【表1】 [Table 1]
【0029】[0029]
【表2】 [Table 2]
【0030】表1に示す結果から明らかなように、Ar
ガスと、C2H4ガスをそれぞれ別個に導入することによ
り、高い成膜速度が得られている。また、Arガスの供
給流量を炭化水素ガスの供給流量以下とすることによ
り、特に高い成膜速度が得られている。As is clear from the results shown in Table 1, Ar
By separately introducing the gas and the C 2 H 4 gas, respectively, a high film forming rate is obtained. Further, by setting the supply flow rate of the Ar gas to be equal to or less than the supply flow rate of the hydrocarbon gas, a particularly high film formation rate is obtained.
【0031】また、表2に示す結果から、炭化水素ガス
として、エチレンガスやアセチレンガスのように、不飽
和結合を有する炭化水素ガスを用いることにより、高い
成膜速度が得られることがわかる。From the results shown in Table 2, it can be seen that a high film-forming rate can be obtained by using a hydrocarbon gas having an unsaturated bond, such as an ethylene gas or an acetylene gas, as the hydrocarbon gas.
【0032】なお、上記各成膜条件において、成膜後の
基板温度(成膜直後の基板温度であり、成膜プロセスに
よって上昇した最高温度)は全て100℃以下であり、
形成された被膜の硬度はいずれも3000Hv以上であ
った。In each of the above film forming conditions, the substrate temperature after film formation (the substrate temperature immediately after film formation and the maximum temperature increased by the film forming process) is 100 ° C. or less.
The hardness of each of the formed films was 3000 Hv or more.
【0033】また、Arガス流量及びC2H4ガス流量を
それぞれ一定にし、排気バルブを制御することで、真空
チャンバー内の圧力を変化させた。その結果、真空度が
1×10-4Torr以下では、プラズマの維持が困難と
なり、真空度が1×10-2Torr以上では、Arプラ
ズマがプラズマ発生室に閉じこもり、基板の方へ照射さ
れなくなった。このため、成膜速度は最大でも100Å
/分以下となった。これらの結果から、真空度として
は、1×10-2〜1×10-4Torrの範囲が好ましい
ことがわかる。The pressure inside the vacuum chamber was changed by controlling the exhaust valve while keeping the Ar gas flow rate and the C 2 H 4 gas flow rate constant. As a result, when the degree of vacuum is 1 × 10 −4 Torr or less, it becomes difficult to maintain the plasma, and when the degree of vacuum is 1 × 10 −2 Torr or more, the Ar plasma is trapped in the plasma generation chamber and is not irradiated toward the substrate. Was. For this reason, the deposition rate is 100 ° at the maximum.
/ Min or less. These results show that the degree of vacuum is preferably in the range of 1 × 10 −2 to 1 × 10 −4 Torr.
【0034】〔実験2〕次に、ガス流量を一定にし、基
板に印加するバイアス電圧を変化させて硬質炭素被膜形
成を行った。具体的な成膜条件は、Arガス流量20s
ccm、C2H4ガス流量40sccm、マイクロ波電力
密度0.1W/cm3 とし、基板ホルダーは回転させず
に固定した状態で、5分間成膜を行った。基板に印加す
るバイアス電圧は0〜−200Vまで変化させた。成膜
の際、基板の加熱または冷却は行わず、成膜後の基板温
度と、形成された被膜の硬度を測定した。結果を表3に
示す。[Experiment 2] Next, a hard carbon film was formed by changing the bias voltage applied to the substrate while keeping the gas flow rate constant. Specific film forming conditions are as follows: Ar gas flow rate 20 s
Film formation was performed for 5 minutes while the substrate holder was fixed without rotating the substrate holder at ccm, a C 2 H 4 gas flow rate of 40 sccm, and a microwave power density of 0.1 W / cm 3 . The bias voltage applied to the substrate was varied from 0 to -200V. During the film formation, the substrate was not heated or cooled, and the substrate temperature after the film formation and the hardness of the formed film were measured. Table 3 shows the results.
【0035】[0035]
【表3】 [Table 3]
【0036】表3に示す結果より、バイアス電圧の絶対
値が大きくなるに従い、成膜後の基板温度が高くなるこ
とがわかる。また、バイアス電圧が印加されていない比
較例5においては、被膜の硬度が極めて低く、軟質でポ
リマー状の炭素被膜が形成されていることがわかる。ま
た、バイアス電圧の印加により、急激に被膜の硬度が増
加していることから、実質的に負のバイアス電圧を印加
することにより、高い硬度の被膜を形成することができ
ることがわかる。また、バイアス電圧が−200Vであ
る比較例6では、被膜の硬度が低くなっているが、これ
は基板温度上昇による影響であると考えられる。以上の
結果から、基板温度としては200℃以下であることが
好ましく、またバイアス電圧としては−10〜−150
Vが好ましいことがわかる。From the results shown in Table 3, it can be seen that the substrate temperature after film formation increases as the absolute value of the bias voltage increases. In Comparative Example 5 to which no bias voltage was applied, the hardness of the coating was extremely low, and a soft polymer carbon coating was formed. Further, since the hardness of the coating film sharply increases due to the application of the bias voltage, it can be seen that a coating film with high hardness can be formed by applying a substantially negative bias voltage. In Comparative Example 6 in which the bias voltage was -200 V, the hardness of the coating was low, but this is considered to be due to the effect of the rise in the substrate temperature. From the above results, the substrate temperature is preferably 200 ° C. or lower, and the bias voltage is −10 to −150.
It turns out that V is preferable.
【0037】〔実験3〕次に、ガス流量及びバイアス電
圧を一定にし、投入するマイクロ波電力を変えて、硬質
炭素被膜の形成を行った。具体的な条件は、Arガス流
量20sccm、C2H4ガス流量40sccm、バイア
ス電圧−50Vとした。基板ホルダーは回転させずに固
定し、5分間成膜を行った。マイクロ波電力密度は、表
4に示すように0.01〜0.2W/cm3 の範囲で変
化させた。上記実験2と同様に、成膜の間、基板の加熱
または冷却は行わず、成膜後の基板温度と、形成された
被膜の硬度を測定した。結果を表4に示す。[Experiment 3] Next, a hard carbon film was formed by changing the supplied microwave power while keeping the gas flow rate and the bias voltage constant. Specifically, the Ar gas flow rate was 20 sccm, the C 2 H 4 gas flow rate was 40 sccm, and the bias voltage was −50 V. The substrate holder was fixed without rotating, and a film was formed for 5 minutes. The microwave power density was changed in the range of 0.01 to 0.2 W / cm 3 as shown in Table 4. As in Experiment 2, the substrate was not heated or cooled during the film formation, and the temperature of the substrate after the film formation and the hardness of the formed film were measured. Table 4 shows the results.
【0038】[0038]
【表4】 [Table 4]
【0039】マイクロ波電力密度を0.01W/cm3
とした比較例7では、プラズマの発生維持が困難であ
り、被膜を形成することができなかった。表4に示す結
果から明らかなように、マイクロ波電力密度を増加させ
ると、成膜速度が増加することがわかる。しかしなが
ら、同時に基板温度も上昇し、0.2W/cm3 になる
と基板温度が250℃まで上昇し、この影響により、被
膜の硬度が低下していることがわかる。従って、マイク
ロ波電力密度としては、0.02〜0.15W/cm3
の範囲が好ましいことがわかる。The microwave power density is set to 0.01 W / cm 3
In Comparative Example 7, the generation of plasma was difficult to maintain, and a film could not be formed. As is clear from the results shown in Table 4, it is understood that the film formation rate increases as the microwave power density increases. However, at the same time, the substrate temperature also rises, and when it reaches 0.2 W / cm 3 , the substrate temperature rises to 250 ° C., indicating that the hardness of the coating film has decreased due to this effect. Therefore, the microwave power density is 0.02 to 0.15 W / cm 3
It turns out that the range of is preferable.
【0040】〔実験4〕基板ホルダー8の外周面に、1
0個のSi基板9を等間隔に装着し、5rpmの速度で
基板ホルダー8を回転させながら、硬質炭素被膜を形成
した。成膜条件は、マイクロ波電力密度を0.1W/c
m3 とし、その他の条件は上記実験3と同様にして、3
0分間成膜した。[Experiment 4] On the outer peripheral surface of the substrate holder 8, 1
Zero Si substrates 9 were mounted at equal intervals, and a hard carbon film was formed while rotating the substrate holder 8 at a speed of 5 rpm. The film formation conditions were such that the microwave power density was 0.1 W / c.
m 3 and the other conditions were the same as in Experiment 3 above.
The film was formed for 0 minutes.
【0041】この結果、膜厚約1μmの硬質炭素被膜
(硬度約3000Hv)が、それぞれのSi基板の上に
均一に形成された。成膜後の基板温度は約50℃であっ
た。従って、基板ホルダー8を回転させずに基板の位置
を固定した状態で成膜した場合(実験3の実施例11)
の基板温度70℃よりも低くなっていた。従って、基板
ホルダーを回転させ、Arプラズマを断続的に基板に照
射することにより、基板の温度上昇を抑制することがで
き、基板に対するダメージを低減できることがわかる。As a result, a hard carbon film (having a hardness of about 3000 Hv) having a thickness of about 1 μm was uniformly formed on each Si substrate. The substrate temperature after film formation was about 50 ° C. Therefore, when a film is formed in a state where the position of the substrate is fixed without rotating the substrate holder 8 (Example 11 of Experiment 3)
Substrate temperature was lower than 70 ° C. Therefore, it can be seen that by rotating the substrate holder and intermittently irradiating the substrate with Ar plasma, the temperature rise of the substrate can be suppressed, and damage to the substrate can be reduced.
【0042】上記実施例では、基板に高周波電圧を印加
し、基板に負のバイアス電圧を発生させているが、高周
波電圧に代えて、パルス電圧を印加した場合にも同様の
効果が得られることを確認している。In the above embodiment, a high-frequency voltage is applied to the substrate to generate a negative bias voltage. However, the same effect can be obtained when a pulse voltage is applied instead of the high-frequency voltage. Have confirmed.
【0043】[0043]
【発明の効果】本発明によれば、硬質炭素被膜を高い成
膜速度でかつ低温で形成することができる。According to the present invention, a hard carbon film can be formed at a high film forming rate and at a low temperature.
【図1】本発明に従う硬質炭素被膜形成装置の一例を示
す概略断面図。FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a hard carbon film forming apparatus according to the present invention.
【図2】図1に示す装置における反応ガス導入管の近傍
を上方から見た平面図。FIG. 2 is a plan view of the vicinity of a reaction gas introduction pipe in the apparatus shown in FIG. 1 as viewed from above.
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…放電ガス導入管 6…磁気回路 7…真空チャンバー 8…基板ホルダー 9…基板 10…高周波電源 11…シールドカバー 12…開口部 13…反応ガス導入管 14…仕切り板 14a…アパーチャ 21…ガス放出孔 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Microwave supply means 2 ... Waveguide 3 ... Microwave introduction window 4 ... Plasma generation chamber 5 ... Discharge gas introduction pipe 6 ... Magnetic circuit 7 ... Vacuum chamber 8 ... Substrate holder 9 ... Substrate 10 ... High frequency power supply 11 ... Shield Cover 12 ... Opening 13 ... Reaction gas introduction pipe 14 ... Partition plate 14a ... Aperture 21 ... Gas release hole
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4K030 AA09 AA10 CA02 CA04 FA02 GA07 JA05 JA16 JA17 KA12 LA22 5F058 BA12 BA20 BB10 BC14 BC20 BF08 BF26 BJ03 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 4K030 AA09 AA10 CA02 CA04 FA02 GA07 JA05 JA16 JA17 KA12 LA22 5F058 BA12 BA20 BB10 BC14 BC20 BF08 BF26 BJ03
Claims (10)
共に、マイクロ波電力を導入して電子サイクロトロン共
鳴によるArプラズマを発生させ、該Arプラズマを真
空チャンバー内に配置した基板ホルダー上の基板に照射
すると同時に、前記真空チャンバーに炭化水素ガスを供
給して、前記基板上に硬質炭素被膜を形成する方法であ
って、 前記炭化水素ガスとして不飽和結合を有する炭化水素ガ
スを用い、 前記Arガスの供給流量を前記炭化水素ガスの供給流量
以下とし、 前記マイクロ波の投入電力密度を前記プラズマ発生室の
単位容積あたり0.02〜0.15W/cm3 の範囲に
すると共に、 前記基板に実質的に−10〜−150Vのバイアス電圧
を印加することを特徴とする硬質炭素被膜の形成方法。An Ar gas is supplied to a plasma generation chamber, and microwave power is introduced to generate Ar plasma by electron cyclotron resonance, and the Ar plasma is irradiated on a substrate on a substrate holder disposed in a vacuum chamber. Simultaneously, supplying a hydrocarbon gas to the vacuum chamber to form a hard carbon film on the substrate, wherein a hydrocarbon gas having an unsaturated bond is used as the hydrocarbon gas; The supply flow rate is not more than the supply flow rate of the hydrocarbon gas, the input power density of the microwave is in the range of 0.02 to 0.15 W / cm 3 per unit volume of the plasma generation chamber, and the substrate is substantially coated with the microwave. Applying a bias voltage of -10 to -150V to the hard carbon film.
して、C2H4及び/またはC2H2を用いることを特徴と
する請求項1に記載の硬質炭素被膜の形成方法。2. The method according to claim 1, wherein C 2 H 4 and / or C 2 H 2 is used as the hydrocarbon gas having an unsaturated bond.
10-2〜1×10-4Torrの範囲であることを特徴と
する請求項1または2に記載の硬質炭素被膜の形成方
法。3. The degree of vacuum in the vacuum chamber is 1 ×
The method for forming a hard carbon film according to claim 1, wherein the thickness is in a range of 10 −2 to 1 × 10 −4 Torr.
ス電圧のいずれかを印加することを特徴とする請求項1
〜3のいずれか1項に記載の硬質炭素被膜の形成方法。4. The method according to claim 1, wherein one of a high-frequency voltage and a pulse voltage is applied to the substrate.
4. The method for forming a hard carbon film according to any one of items 3 to 3.
に照射することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1
項に記載の硬質炭素被膜の形成方法。5. The substrate according to claim 1, wherein the substrate is irradiated with the Ar plasma intermittently.
The method for forming a hard carbon film according to the above item.
り、前記基板へのArプラズマの照射を断続的に行うこ
とを特徴とする請求項5に記載の硬質炭素被膜の形成方
法。6. The method according to claim 5, wherein the substrate is irradiated with Ar plasma intermittently by rotating the substrate holder.
基板ホルダーを回転させることを特徴とする請求項6に
記載の硬質炭素被膜の形成方法。7. The method according to claim 6, wherein the substrate holder is rotated within a shield cover having an opening.
内部に向けて導入することを特徴とする請求項7に記載
の硬質炭素被膜の形成方法。8. The method according to claim 7, wherein the hydrocarbon gas is introduced toward the inside of the shield cover.
ガスとして用いて基板上に硬質炭素被膜を形成するため
の硬質炭素被膜形成装置であって、 基板が配置される真空チャンバーと、 前記真空チャンバーに隣接して設けられ、前記真空チャ
ンバー内の基板に照射されるプラズマを発生するための
プラズマ発生室と、 前記真空チャンバーと前記プラズマ発生室の間に設けら
れる、アパーチャが形成された仕切り板と、 前記プラズマ発生室にマイクロ波を供給するためのマイ
クロ波供給手段と、 前記基板にバイアス電圧を印加するための電源とを備え
る硬質炭素被膜形成装置。9. A hard carbon film forming apparatus for forming a hard carbon film on a substrate using a hydrocarbon gas having an unsaturated bond as a source gas, comprising: a vacuum chamber in which the substrate is disposed; A plasma generation chamber that is provided adjacent to the chamber and generates plasma for irradiating a substrate in the vacuum chamber; and a partition plate provided with an aperture and provided between the vacuum chamber and the plasma generation chamber. And a microwave supply means for supplying microwaves to the plasma generation chamber; and a power supply for applying a bias voltage to the substrate.
な筒状の基板ホルダーと、 前記プラズマ発生室からのプラズマを導入するための開
口部を有する、前記基板ホルダーを覆うためのシールド
カバーとをさらに備える請求項9に記載の硬質炭素被膜
形成装置。10. A rotatable cylindrical substrate holder for mounting the substrate on an outer peripheral surface, and a shield cover for covering the substrate holder, the shield cover having an opening for introducing plasma from the plasma generation chamber. The hard carbon film forming apparatus according to claim 9, further comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001262342A true JP2001262342A (en) | 2001-09-26 |
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